преобладающий механизм деформации можно описать следующими стадиями:
зарождение дислокаций при реализации теоретической прочности материала;
потеря устойчивости кристаллической решетки; сдвиг по атомным плоскостям
(что проявляется в резком изменении структуры материала). Например, при
ударном нагружении стали давлением р>67ГПа вероятность двойникования
снижается, так как появляется механизм с меньшим временем релаксации.
Экспериментально установлено, что двойниковая структура при этом исчезает,
наблюдается упрочнение металла вследствие вынужденного зарождения
предельного числа дислокаций и появляются области сильно локализованной
пластической деформации, называемые полосами адиабатического сдвига (ПАС).
Очевидно, что тепло, выделяемое при пластической деформации,
концентрируется в окрестности полосы сдвига только в том случае, когда
выделение тепла происходит быстрее, чем его отвод за счет теплопроводности.
Следовательно быстрое деформирование металла приводит к локализованному
нагреву и катастрофическому разрушению по полосам сдвига. Механизмы,
генерирующие развитие ПАС, необязательно связаны с локализацией
пластического течения, так как нагрев может быть и не очень велик (менее
400 К). В этом случае появление ПАС может быть обусловлено задержкой
локализации пластического течения из=за гетерогенности пластических
деформаций в поликристаллических материалах.
Нагрев области сдвига зависит от степени пластической деформации и
скорости, с которой тепло отводится от зоны сдвига. При этом пластическая
деформация в адиабатических полосах сдвига достигает порядка 104 %,
скорость деформации – 106 … 108 с-1 , а твердость материала в ПАС
значительно превышает твердость основного материала.
Для решения проблем динамики разрушения деформируемого твердого тела
большое значение имеет подробный анализ физического механизма и
поверхностей разрушения при ударноволновом нагружении. Феноменологические
аспекты квазистатического, динамического и импульсного видов деформации и
разрушения тождественны для всех скоростей нагружения: зарождение, рост,
коалесценция микроскопических пор или трещин. Успешное предсказание
характера разрушения по состоянию микроструктуры связано с необходимостью
изучения основных закономерностей кинетики разрушения. Для построения
соответствующих физических концепций существуют три возможных источника
получения необходимой информации: аналитические модели кинетики образования
микропор и трещин; алгоритмы и программы, разрабатываемые на основе
численного интегрирования дифференциальных законов сохранения и нелинейных
физических и механических экспериментальных соотношений; экспериментальные
исследования с контролируемыми параметрами нагружения и с последующим
количественным описанием процессов деформации и разрушения на
микроструктурном уровне. В качестве примера можно привести
экспериментальные исследования стального шара, подвергшегося
ударноволновому нагружению(рис.4,5).
Рис.4. Концентрическая полость в стальном шаре (марка стали - 60Х3Г8Р8Ф),
подвергшимся ударноволновому нагружению.
Рис.5. Рекристаллизованная структура стали 60Х3Г8Н8Ф после ударноволнового
нагружения.
Заключение
Приведенные результаты подчеркивают, что ударноволновое воздействие на
твердые деформируемые тела является уникальным средством получения
неравновесных состояний вещества. Это связано с высокими значениями
градиентов термодинамических и кинематических параметров во фронте УВ, что
приводит как к упорядочиванию, так и к разупорядочиванию структуры вещества
на любом уровне - от механической структуры до внутримолекулярных
процессов.
Литература
Зельдович Я.Б. «Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических
явлений» М. : Наука, 1966, 686 с.
Забабахин Е.И., Забабахин И.Е. «Явления неограниченной кумуляции» М. :
Наука, 1988, 173 с.
Лободюк В.А. «Воздействие ударных волн на мартенситные превращения в
металлах и сплавах», Металлофизика, вып.76. - Киев: Наукова думка, 1979,
с.3-20.
Теплов В.А. , Талуц Г.Г. , Маслов Р.А. , Мурышев Е.Ю. , Синицын А.В.
«Особенности микроструктуры сплава железо-никель при нагружении плоской
ударной волной давлением 30ГПа», ФММ, 1988, том 66 , вып.5, с.920-924.
Селиванов В.В., Соловьев В.С., Сысоев Н.Н. «Ударные и детонационные волны.
Методы исследования»: изд-во МГУ, 1990. – 256 с.
«Shock waves in solids» editor by F.Seitz, D. Turnbull: Academic press New
York and London, 1986, c 256-328.
Введение
Ударные волны в металле всегда играли важную роль в военных и промышленных
прикладных программах по крайне мере текущее столетие. Однако только в
течении последнего десятилетия экспериментальные методы и аппаратура
достигли достаточной степени сложности для детального исследования свойств
твердого тела. Несмотря на то, что существует несколько превосходных
обзорных статей по теории ударных волн, фактические результаты ударных
эффектов широко рассеяны в литературе. Таким образом ученым, занятым этой
проблемой, достаточно сложно следить за современным состоянием дел в этой
области и быть в курсе последних достижений. Эта статья является
всесторонним обзором ударных эффектов в металле на декабрь 1965 года, хотя
цитируются и более поздние ссылки. В данной статье обсуждаются ударные
эффекты применимо к кристаллическому твердому телу.
Прохождение ударной волны через твердое тело (и последующее снижение
давления) может приводить к изменению физического состояния материала .
Некоторые изменения кратковременны и должны изучаться в процессе ударного
нагружения; другие изменения остаточные и могут быть изучены в сохраненном
образце.
В случае остаточных ударных эффектов, один вопрос достаточно ясен;
Большинство явлений ( за исключением фазовых превращений) можно объяснить в
терминах микроскопической пластической деформации, произведенной ударной
волной; увеличение давление и температуры при прохождении ударного фронта
может помогать и наоборот препятствовать производству любого данного
эффекта. Соответственно часть статьи посвящена сравнительному изучению
произведенных ударных эффектов, с одной стороны, и изменений при квази-
статической деформации при атмосферном давлении, с другой. Основное отличие
этих двух типов экспериментов - в их характере.
Представляет интерес также то, что большинство остаточных изменений в
металле, произведенных ударной волной аналогичны изменениям, произведенным
холодной прокаткой.
Большую осторожность нужно проявлять приписывая какой-либо эффект действию
ударного нагружения, так как возникают трудности при сохранении образца с
известной историей напряжения и температуры.
Ударные волны в металле. Получение и области их приминения.
Ударные волны возникают при большом ускорении поверхности слоя металла.
Способ получения таких ускорений - детонация взрывчатого вещества,
находящегося в контакте с материалом либо контакт с быстролетящим снарядом.
Ударный фронт математически представляет собой скачок плотности, энергии и
энтропии. Физически, конечно, эти величины должны изменятся в течении
времени подъема давления, определяемого такими параметрами как
теплопроводность, вязкость, а также размером зерна и однородностью металла.
В случае сильных ударных нагружений в однородном изотропном металле, время
подъема давления не разрешимо представленными методами и может быть меньше
10-8 секунды. Для неоднородных материалов типа камней время подъема
давления зависит от масштабов неоднородностей.
При низких давлениях наблюдается упругий предвестник, сопровождаемый
пластической волной нагрузки. Время подъема давления разрешимо для
некоторых ОЦК металлов, а также для железа и стали. Определяется возможная
верхняя граница скорости деформации при конкретном ударном нагружении. Для
такой двухволновой системы фронт ударной волны выражен плохо и появляется
относительно большое время подъема давления. Время подъема обоих фронтов
зависит от действующего давления. Для алюминия при давлении в 13 кбар Линде
и Шмидт нашли, что время подъема давления для упругого предвестника
примерно 10-8 сек. , а для пластического волнового фронта примерно 2*10-7
сек.
Волна уменьшающая величину напряжений называется волной разгрузки. При
проходе этой волны уменьшается давление в одном участке твердого тела по
отношению к другим. Процесс разгрузки является адиабатическим, и путь
разгрузки обычно называется адиабатой разгрузки. Вообще волновой фронт этой
волны удлиняется по мере ее распространения.
Законы Сохранения и Уравнения Состояния.
Пусть ударная волна перемещается в материале с скоростью U, ускоряя частицы
до скорости u при подъеме напряжения от 0 до 1, плотности от р0 до р1 и
повышение внутренней энергии от Е0 до Е1. Скорость удара может быть больше
или меньше, чем скорость волны сжатия и находится в диапазоне 1-10 км/сек.
Огибающая конечных состояний (локус) может быть достигнута в течении
времени прохождения фронта ударной волны и однозначно характеризуется для
данного материала начальным состоянием перед ударом. Эта огибающая в
координатах объем-напряжение обычно называется как кривая уравнения
состояния Рэнки-Гюгонио или просто кривая Гюгонио. Для вычисления
температуры по кривой Гюгонио, а также при определении состояния данного
материала по кривой Гюгонио, требуется уравнение состояния для этого
материала. Для этого необходимо пренебречь жесткостью решетки и
рассматривать данное твердое тело как жидкость, которая характеризуется
только тремя термодинамическими переменными. Величина ошибки при этом
приближении неизвестна, но очевидно мала для сильных ударных нагружений(
см. вычисления Дюваля).
Модели сплошного ударного сжатия.
а. Гидродинамическая модель.
Для общего рассмотрения воздействия ударной волны на металлический образец
можно проигнорировать влияния прочности материалов на эффекты, связанные с
прохождением ударной волны в образце. Были проведены обширные измерения
Гюгонио в различных металлах, результаты которых были опубликованы в
отчетах научных лабораторий Лос Аламоса. Эти измерения начинаются с
давлений порядка 100kbar, что на порядок выше, чем предел текучести металла
и аналитически удовлетворяют данным, которые используются при интерполяции
от p0 и до более высоких значениях давления. Однако следует отметить, что в
данной модели Гюгонио при давлениях близких к нулю физически не определен.
Также, следует ожидать, что при очень высоких значениях давления во всех
металлах может идти образования структур с более плотной упаковкой атомов.
Например для железа при давлениях порядка 130kbar идет превращение ОЦК
решетки в более плотную ГПУ структуру.
б. Упруго-пластическая модель.
При низких значениях давления уже нельзя игнорировать прочность
материалов. Для ударных напряжений ниже предела текучести, материал ведет
себя упруго. Величина напряжение, действующего по оси, перпендикулярной
плоскости удара, при котором еще сохраняется упругость материала называется
упругим пределом Гюгонио (HEL); эту величину иногда можно предсказать из
статических измерений прочности. Если величина ударного нагружения
превышает HEL, то материал деформируется.
Результаты экспериментов показывают, что для некоторых металлов характерно
именно это упруго-пластическое поведение. Основным недостатком этой модели
является неопределенность поведения статического упругого предела текучести
при достаточно высоких значениях давления.
Решеточные модели ударного сжатия. Фронт ударной волны.
Было сделано несколько попыток описание фронта ударной волны, используя
термин дислокаций. Впервые этот вопрос был затронут в работах Смита по
металлографическому исследованию железа, меди и других металлов,
подвергшихся ударному нагружению. Он показал, что для простоты описания
фронта ударной волны, его можно рассматривать как плоскую сеть двух систем
наклонных краевых дислокаций. Эта граница( фронт ударной волны ) может
двигаться в перпендикулярном направлении к границе, возникшей в результате
движения дислокаций, и результатом движения которой будет необходимое
изменение плотности образца без возникновения остаточных дефектов решетки.
Кроме того такая граница раздела может двигаться и при волне разряжения, не
оставляя никаких остаточных структурных изменений кристаллической решетки
образца. Смит также указал, что в реальной ситуации полная обратимость при
движении фронтов ударной волны и волны разряжения маловероятно, так как в
образце скорей всего будут широко распространены источники и стоки
дислокаций. В этой модели также требуется чтобы дислокации двигались со
сверхзвуковой скоростью, что ранее считалось невозможным. Однако немецким
физиком Строхом была показана принципиальная возможность движения краевых и
винтовых дислокаций со сверхзвуковой скоростью. Кроме того австрийским и
голландским физиками Франком и Ван де Мерве параллельно с англичанином
Эшебли показали принципиальную возможность движения дислокаций с
неограниченной скоростью.
Гюгонио в модели Смита представляет собой сформировавшиеся петли
дислокаций. Краевые компоненты дислокаций распространяются вдоль фронта
ударной волны, в то время как винтовые компоненты неподвижны и, поглощая
энергию, они удлиняют волновой фронт за счет краевых компонент. Если
противоположные сегменты винтовой части одной и той же петли дислокации
имеют разные знаки, то они могут позже взаимослиться; винтовые сегменты
различных петель могут позже формироваться в узлы. Кембелл показал, что для
типичный источник Франка-Риида начинает размножаться за время порядка 10-8
сек. для напряжений гораздо более низких, чем возникающих во время ударного
напряжения, а значит должен возникнуть механизм для появление предела
текучести во фронте ударной волны. МакКлинток предположил, что начальные
плотности дислокаций до ударного нагружения могут быть достаточны для
обеспечения, путем размножения дислокаций, достаточно высоких значений
напряжения при прохождения ударной волны. Кроме того в работах Кована было
показано, что при достаточно сильном ударном нагружении может быть
превышена величина сдвиговой прочности образца, с соответствующем
изменением в механизме деформации. Американские физики Давис и Джексон
предположили, что возникновение при сдвиге малых циклов дислокаций во
фронте ударной волны может быть одним из основных механизмов возникновения
напряжения в образце.
Также следует отметить, эта модель не дает ответ на очень важный вопрос -
можно ли рассматривать распространения дислокаций на большие расстояния,
как непрерывное создание дислокаций во фронте ударной волны.
Гюгонио в координатах P-V и его значения.
Для интерпретации результатов ударного нагружения образца очень важно знать
структуру этого нагружения. Например, Гюгонио, показанный на рис.2, такой,
что одиночная волна любой амплитуды является стабильной; однако Гюгонио на
рис 3-5 такой, что ударная волна в некоторых диапазонах давлений
непостоянна и вырождается во множество волновых фронтов. Область
неустойчивости определяется линией Релея, которая представляет собой
прямую, проведенную из точки P=0,V=V0 к P,V соответствующих конечным
значениям давления и объема после ударного нагружения. Если эта линия
пересекает Гюгонио в точке перегиба, как на рис.6, то область выше перегиба
и ниже точки повторного пересечение линии Релея с Гюгонио (то есть между Pa
и Pb ) - область нестабильности. Состояния в этой области могут быть
достигнуты только с помощью двух волновых фронтов; амплитуда из которых
соответсвует давлению Pa. Для специфического случая, когда Pa есть упругий
предел Гюгонио (HEL), то первая волна будет упругой волной, которую часто
называют упругим предшественником.
Таким образом наличие более чем одного волнового фронта при ударном
нагружении материалов предполагает, что Гюгонио содержит один или более
точек перегиба. Если точка перегиба не является пределом упругости Гюгонио,
то это указывает на наличие фазового перехода в образце, то есть при сжатии
этого образца (и при повышении в нем температуры) происходит сдвиг атомов к
новым положениям в решетке или переход электронов новые состояния, что
обеспечивает более устойчивую структуру. Такое преобразование может быть
полностью обратимым, как в железе,, или по крайне мере частично обратимым,
как при производстве алмаза из графита.
Электрическая поляризация и деполяризация.
Было установлено, что при действии ударного нагружения на диэлектрик могут
возникать внутреннее электрическое поле очень больших значений. Например
для кварца величина внутреннего электрического поля может достигать величин
порядка 106 В/см.
Магнитные эффекты.
Ударные волны приводят к существенному повышению давления и температуры,
что может привести к изменению магнитного порядка в веществе. Например вид
Гюгонио после воздействия ударного нагружения на сплав 36% Ni/Fe (инвар) и
30% Ni/Fe явно свидетельствует о возникновении магнитофазового перехода при
температуре Кюри.
Министерство общего и профессионального образования РФ
Уральский Государственный Университет
им. А. М. Горького
Физический факультет
Кафедра физики низких температур
Влияние отжигов при 200 и 300( С на структуру и сверхпроводящие свойства
нестехиометрических соединений RBa2Cu3O7-( (R - Y, Nd, Eu).
Курсовая работа
студентки 4 курса
Блиновой
Юлии Викторовны
Научный руководитель: ст.н.с., к. ф.-м.
н.
Сударева Светлана Васильевна
Екатеринбург
1999
