Неравновесность и высокоскоростное деформирование и разрушение материалов при кратковременных импульсных нагружениях.

Оглавление
Оглавление...................................................... 2
Введение........................................................ 6
Глава 1........................................................ 21
1.1. Воздействие мощных импульсных кратковременных
пучков электронов на твердые тела......................... 21
1.1.1. Термоупругое взаимодействие импульсных электронных пучков
с твердыми телами......................................... 24
1.1.2. Воздействие мощного импульсного электронного пучка на поверхности твердых тел................................... 33
1.2. Электрический взрыв проводников и его применение для
нагружения материалов..................................... 43
1.2.1. Генерирование мелкодисперсных частиц (МДЧ), их ускорение и взаимодействие с преградой................................ 45
1.2.2. Применение взрывающейся фольги для получения плоских ударных волн и ускорения тонких пластинок................. 47
1.3. Электрический пробой в твердых телах и жидкостях......... 48
1.4. Деформирование материалов в условиях сопутствующих электромагнитных полей. Магнитопластический эффект (МПЭ).......................................................... 52
1.5. Динамические модели и критерии хрупкого разрушения 59
1.5.1. Основные закономерности проявления динамической прочности материалов...................................... 59
1.5.2. Вопросы тестирования динамических прочностных свойств материалов................................................ 61
1.5.3. Экспериментальные методы испытания материалов на динамическую прочность.................................... 62
1.5.4. Масштабные уровни разрушения твердых тел................ 63
2
1.5.5. Динамическая прочность при растяжении. Откол в твердых
телах..................................................... 66
1.5.6. Критерии разрушения "бездефектных" твердых тел при динамическом нагружении................................... 68
1.5.7. Разрушение твердых тел с макродсфсктом (трещиной)....... 71
1.5.8. Хрупко-вязкий переход при разрушении материалов......... 76
Глава II. Моделирование движения рслаксирующей среды при
кратковременном импульсном нагружении................. 83
2.1. Модель затухания упругой волны с учетом релаксационных явлений в приповерхностной зоне ударного нагружения 83
2.2. Формирование и развитие импульсных напряжений в твердых телах с учетом релаксационных явлений в приповерхностной области ударного нагружения.............. 88
23. Осцилляция пластического течения в металлах за фронтом
упругого предвестника..................................... 100
2.4. Моделирование движения слабонеравновесной
релаксирующей среды при кратковременном импульсном нагружении.......................................... 107
Глава III. Гидродинамический подход к решению задач
высокоскоростного нагружения материалов............... 121
3.1. Переход твердого тела в текучее состояние.
Гидродинамическая модель.................................. 121
3.2. Численный расчет пространственно-временных характеристик среды, поглощающей излучение короткого импульса в газодинамической одномерной постановке 129
3.3. Зависимость максимальной амплитуды давления от массового коэффициента поглощения энергии излучения короткого импульса....................................... 134
3
3.4. Модельная задача о разлете вещества под действием
энергии излучения...................................... 138
Глава IV. Разрушение материалов при кратковременных
импульсных нагружениях в субмикросекундном и наносекундном диапазонах........................... 149
4.1. Откольные процессы на аноде сильноточного импульсного ускорителя электронов.................................. 149
4.2. Разрушение твердых диэлектриков в условиях приповерхностного электрического пробоя
субмикросекундной длительности......................... 160
4.3. Применение электрического взрыва проводников для исследования процессов высокоскоростного соударения тел. 173
4.4. Инициирование и движение трещины при кратковременных импульсных нагружениях................. 179
4.5. Экспериментальное исследование прочности металлических кольцевых образцов при ударном воздействии распределенной радиальной нагрузки магнитно-импульсным методом........................................... 199
Глава V. Генерирование мелкодисперсных частиц и
высокоскоростное столкновение их с преградой....... 213
5.1. Приближенное решение задачи о взаимодействии потока твердых частиц с преградой............................. 213
5.2. Лабораторное моделирование высокоскоростных столкновений мелкодисиерстных частиц с покрытиями космических аппаратов.................................. 220
5.3. Разлет в вакуум мелкодисперстных частиц, инициированных электрическим взрывом проводников, и
их взаимодействие с преградой.......................... 228
4
Глава VI. Микро- и макропластичность кристаллов при комбинированном воздействии механических и магнитных нолей. Магнитопластический эффект 237
6.1. Микропластичность кристаллов при комбинированном воздействии механических и магнитных нолей............... 237
6.1.1. Движение дислокаций в кристаллах ЫИ и №С1 при комбинированном воздействии механических и электромагнитных импульсов, создаваемых электронным
пучком................................................... 237
6.1.2. Резонансные перемещения дислокаций в кристаллах ЫаС1 в условиях ЭПР в магнитном поле Земли с радиочастотным полем накачки.................................................. 248
6.2. Макропластичность кристаллов при комбинированном воздействии механических и магнитных полей............... 268
6.2.1. Пластификация кристаллов 1ЧаС1 при комбинированном воздействии коротких механических и магнитных импульсов.... 268
6.2.2. Моделирование распространения короткого упругопластического импульса в кристаллах №С1 в условиях воздействия слабого импульсного магнитного поля.......... 273
6.2.3. Динамическая диаграмма напряжение-деформация и магнитопластический эффект (МПЭ) при импульсном механическом нагружении диамагнитных кристаллов.......... 282
Заключение.................................................... 293
Список литературы............................................. 296
5
Введение.
Проводимые на протяжении многих десятилетий экспериментальные исследования убедительно показали, что поведение материалов при квазистатичсском и динамическом нагружении существенно отличается. Однако, до настоящего времени в инженерной практике господствуют представления предшествующего столетия, связанные с игнорированием особенностей динамического поведения материалов. Эти особенности и являются актуальной задачей современных исследователей по деформированию и разрушению материалов. Становится общепринятым представление о том, что разрушение является процессом, протекающим на многих масштабных уровнях.
Потребности современной промышленности предъявляют высокие требования к точности прогноза прочностных характеристик различных материалов, работающих в условиях, быстро изменяющихся во времени. Актуальными и достаточно сложными являются вопросы исследования ударно-волновых процессов в конструкционных материалах.
Наибольшую трудность представляют задачи высокоскоростного разрушения материала, когда время разрушения меньше или сопоставимо с временем приложения нагрузки.
Динамическое разрушение твёрдых тел характеризуется целым рядом принципиальных эффектов, не имеющих объяснения в рамках традиционных квазистатических представлений. Существующие способы моделирования динамического деформирования и разрушения, а также тестирования динамических прочностных свойств материалов сводятся к измерению скоростных зависимостей. До сих пор отсутствует система построения адекватных определяющих уравнений и определяющих уравнений и определяющих параметров, описывающих динамическую прочность и вязкость разрушения.
6
Как показывают исследования, проводимые при быстром (порядка 10нс) и сверхбыстром (порядка 1нс) нагружении твердых тел, существует принципиальное различие в поведении материалов при таком нагружении не только от квазистатического, но и от воздействия в микросекундном диапазоне длительностей.
Ограниченность традиционных методов разрушения материалов (в частности, горных пород) стимулирует поиск новых высокотехнологичных и высокоэффективных подходов к данной проблеме.
В последнее время стремительно развиваются задачи связанных полей. Это название отражает взаимное влияние двух и более физических полей. В частности, проявляется большой интерес к теории электромагнитной упругости и магнитопластичности.
Влияние магнитного поля (МП) на свойства материалов известно очень давно. Однако широко распространено мнение, что слабое МП в принципе не в состоянии существенно (с точки зрения практического использования) повлиять на структуру и свойства немагнитных твёрдых тел. Это действительно так в термодинамически равновесных системах с индукцией магнитного поля порядка 1Тл. Выявленные в последнее время термодинамические и кинетические особенности наблюдавшихся магнитопластических эффектов (М11Э) дали основание считать, что неравновесность в кристалле, исходно или непрерывно подпитываемая извне тем или иным способом, является необходимым и важнейшим фактором, обеспечивающим высокую чувствительность дефектной структуры к магнитным полям. Данное обстоятельство лежит в основе механизмов управления пластическими характеристиками кристаллов относительно слабыми магнитными полями. Результаты исследования МПЭ открывают новую главу не только в физике пластичности, но и в недавно зародившейся дисциплине снинтроника, а еще шире - в нанотехнологии.
7
Особенности нагружения, деформирования и разрушения материалов в субмикросекундном и наносекундном диапазонах длительностей.
За последние 20-30 лет в связи с развитием сильноточной электронной техники и оптических квантовых генераторов большой мощности появилась возможность их использования как источников импульсного возбуждения волн большой амплитуды в твердых телах.
Как показывают исследования, проводимые при быстром (порядка 10нс) и сверхбыстром (порядка 1нс) нагружении твердых тел, существует принципиальное различие в поведении материалов при таком нагружении не только от квазистатического, но и от микросекундного. Здесь можно выделить, на наш взгляд, два существенных момента.
Во-первых, при коротких воздействиях на твердотельные материалы (при энергиях вклада, не превышающих плавления) вблизи поверхности на1ружения идут сильные релаксационные процессы, определяемые не столько амплитудными характеристиками воздействия, сколько скоростью ввода энергии. Ввиду чего наблюдается неадекватный отклик материала в силу инерционных свойств среды. Начинают проявляться коллективные эффекты. Подобные процессы не могли быть замечены ранее при длительных временах нагружения, так как информация на фронте волны стиралась последующими ударноволновыми явлениями.
Во-вторых, масштаб ударно-возмущенной области материала становится соизмеримым с характерными размерами структуры и микроструктуры твердых тел (размеров зерен, полимерных цепей, дислокационных ячеек и т.д.).
Комплекс экспериментально-теоретических исследований, проведенных за последнее время в указанном направлении, в частности в лаборатории и на кафедре физической механики Санкт-Петербургского университета, позволил выявить ряд особенностей нагружения,
8
деформирования и разрушения материалов. Остановимся на основных из них.
1. Вблизи поверхности нагружения в тонкой приконтактной области развиваются сильнонеравновесные ударноволновые процессы [214,1,234,337]. Обнаружен аномальный характер зависимостей продольных и поперечных скоростей распространения возмущений, а также величин продольного и поперечного напряжений от расстояния, отсчитанного от поверхности ударного воздействия.
Характер изменения этих зависимостей позволил сделать вывод, что вблизи поверхности происходит перераспределение напряжений по продольным и поперечным составляющим с релаксацией их до значений при установившемся ударноволновом процессе. Такое поведение материала может быть определено как "жестко-упругое" с зависящими от времени коэффициентами Ламе (Х(0 и ц(0)9 релаксирующими к своим равновесным значениям Л0 и р0- Проведенные экспериментальные исследования [2] при различных амплитудах ударных нагрузок показали, что в приповерхностной зоне нагружения не наблюдается разделения фронта волны на упругую и пластическую составляющие. Скорость затухания волны здесь определяется перераспределением давления нагружения по составляющим напряженного состояния. Выделение пластической волны в материале начинается с некоторой глубины. Развитое пластическое течение наступает после завершения релаксационных процессов вблизи поверхности нафужения.
Таким образом, при амплитудах нафужения, превышающих предел текучести материала, формирование волны напряжения осуществляется в два этапа. На первом наблюдается одноволновая структура импульса давления. По прошествии релаксации на втором этапе волна распадается на две части: упругую и пластическую. В этой связи корректно считать начало релаксации амплитуды упругого предвестника не от поверхности
9
удара, как это делалось в ряде зарубежных работ (например [3,4]) и приводило к неадекватному описанию изменения величины упругого предвестника, а от границы релаксационной области.
Отметим, что известный подобный процесс формирования волны напряжения при больших давлениях (ударной волны) принципиально отличается от изложенного выше. При коротких импульсных нагружениях малой амплитуды релаксационный процесс обязан высокой скорости ввода в материал энергии, а не высоким вводимым давлениям.
2. Обнаружена существенная зависимость механических свойств материалов от скорости деформации. Эта зависимость проявляется, во-первых, в увеличении в 3-5 раз динамического предела текучести в микросекундном диапазоне нагружений по сравнению со статическим и сильно возрастает при укорочении длительности воздействия. Во-вторых, -в резком отличии реальной динамической диаграммы напряжение-деформация от той, которая может быть построена для независящих от скорости деформации материалов на основе квазистатической диаграммы. Так например, для алюминия при отжиге 300°С динамический предел текучести в 4,2 раза больше статического [5], для меди (отжиг 500°С) - в
4,5 раза, стали 45 (поставка) - в 1,99 раза, стали 3 (отжиг 700°С) - в 3,83 раза и т.д.
Проведенные нами эксперименты [ 1 ] на алюминии А 995 и кристаллах ЫИ и №С1 показали, что динамический предел текучести резко возрастает при уменьшении длительности нагружения ниже 300-200нс (рис.1).
ю
о •------------------ '-------- » _
О 100 200 300 Т НС
г! У
Рис. I. Зависимость динамического предела текучести в алюминии А 995 от длительности импульса нагружения
С точки зрения современных представлений физики пластичности деформирование материалов характеризуется неоднородностью процессов, протекающих на так называемом "мезоскопическом" уровне. При скоростном нагружении границы мезообъемов служат зародышами локализованных сдвигов, а сами мезообъемы могут двигаться в виде микропотоков материала, высту пающих в роли элементарных носителей пластической деформации. Таким образом, происходит структуризация уровней деформирования и разрушения материалов.
В работе [6] показано, что при разрушении металлов с плотностью
8 2
дислокаций 10 см “ (дислокации рассматриваются как препятствия для волн напряжений) время критического воздействия порядка 1нс. Для импульсов короче 1нс дислокации неподвижны, и металлы должны разрушаться подобно хрупким материалам, т.е. энергия импульса идет только на разрыв связей, не вызывая пластической деформации. При разрушении металлов (А1, Си, Ре) уже импульсами длительностью порядка 10нс не было обнаружено никаких признаков пластической деформации.
При изучении влияния дислокационной структуры ионных кристаллов №С1, КС1 и ее эволюции на характер разрушения при
11
динамическом нагружении в субмикросекундном диапазоне длительностей (100-10нс) [7] выявилось следующее. Относительная плотность
дислокаций остается неизменной и не выходит за пределы статистического разброса значений конкретной серии образцов вплоть до пороговых значений растягивающих напряжений. За время достижения растягивающими напряжениями разрушающей величины (первая стадия разрушения) структурных изменений на микроуровне не обнаружено, эффекты накопления отсутствуют и прочностные характеристики не изменяются. При уровнях нагружения, превышающих порог разрушения, наблюдается резкое увеличение плотности дислокаций, которая достигает максимального значения и быстро уменьшается. Результаты исследования позволили сделать вывод о том, что при скоростном способе нагружения элементарные акты пластической деформации и разрушения начинаются при одних и тех же значениях напряжений, оказываются взаимосвязанными и действующими одновременно. Более того, необходимо отметить, что при нагружении материалов импульсами субмикросекундной длительности конечной амплитуды среда находится в состоянии сильной термодинамической неустойчивости и одновременно возможен ряд механизмов деформирования и разрушения (генерация и сток вакансий, вязкое и пластическое течение и т.д.).
Фундаментальные экспериментальные исследования [8], проведенные в очень широком интервале длительностей импульсов нагружения т„ = Знс -1.6мс на кристаллах КС1, позволили выявить механизмы разрушения в нано-, микро- и миллисекундном диапазонах длительностей. Были измерены зависимости разрушающей дозы энергии D от тм при воздействии импульсными пучками электронов. Показано, что пока длительность импульса нагружения меньше времени релаксации напряжения (т„ < тр) разрушающая доза энергии D не зависит от г„. Когда тн > тр1 напряжение успевает релаксировать и разрушающая доза растет
пропорционально длительности импульса. Приведенная на рис.2 кривая зависимости Г> от тн имеет три ярко выраженные ступени.
В,кГр
Рис. 2. Зависимость средней разрушающей дозы от длительности мпульса
нагружения
Им соответствуют три вида механических напряжений, которые вносят основной вклад в разрушение. В наносекундном интервале 3-100нс это первичные акустические импульсы (волны разгрузки). Время релаксации их порядка 1мкс, что соответствует приведенным выше нашим измерениям. Разрушение кристаллов здесь является откольным, имеет ярко выраженный пороговый характер и соответствует критерию предельных напряжений вплоть до высоких температур. Этому виду механических напряжений соответствует самый низкий порог разрушения 5кГр. В микросекундном диапазоне 10мкс-1мс основной вклад вносят собственные акустические моды образца. Время их релаксации 250мкс. Разрушающая доза 20кГр. В миллисекундном и секундном интервалах 1мс-10с основной вклад вносят квазистатические напряжения.
Разрушение материалов при импульсном нагружении в субмикросекундном диапазоне длительностей обуславливается волновым характером распространяющихся напряжений. В зависимости от вида
13
возбуждения напряжений генерируются различные моды колебаний (плоские, цилиндрические, поверхностные). Исследование кинетики и динамики разрушения модельных материалов (KCl, NaCl)|9| показывает, что наиболее низкий порог раскола ионных кристаллов связан с ростом краевых и поверхностных трещин под действием цилиндрических и поверхностных волн напряжений. При этом наблюдается некоторая задержка начала разрушения относительно момента воздействия от 2 до 16мкс. Причем область зарождения трещины и величина задержки начала разрушения существенно зависят от амплитуды импульса.
В поле плоских волн напряжений наблюдается характерный вид ударноволнового разрушения - откол. Полученные экспериментальные данные по кинетике и динамике откольного разрушения материалов сводятся к следующему:
- разрушение в плоскости откола, начиная с определенного уровня напряжений, является многоочаговым, каждый очаг служит центром зарождения соответствующей периодической структуры разрушения;
- средняя глубина залегания трещин (сечение откола) хорошо коррелирует с расстоянием от поверхности образца, где растягивающие напряжения достигают максимального значения.
Проведенное нами экспериментальное исследование откольного разрушения алюминиевого сплава D16 при воздействии импульса электронного пучка длительностью 50нс [10] подтвердило особенности разрушения в субмикросекундном диапазоне длительностей нагружения, отмеченные в зарубежных работах [6]. Так анализ откольных поверхностей, просмотренных на растровом электронном микроскопе, показал наличие отчетливо выраженной чашечной структуры. Статистическая обработка фрактограмм привела к среднему размеру ямок 11,5мкм. В отличие от вязкого разрушения, характерного для длительностей импульса механического напряжения микросекундного
14
диапазона, здесь разрушение материала происходит по механизму нормального отрыва при напряжениях, близких к теоретической прочности материала.
3. Анализ полученных экспериментальных результатов Ю.В. Судьенкова по исследованию влияния структуры материалов на параметры ударноволнового процесса выявил ряд особенностей высокоскоростной деформации. Так в образцах меди М1РО при нагружении короткими импульсами (~70нс) обнаружено существенное различие скоростей распространения упругих и упругопластических волн, отличие в затухании и дисперсии волн напряжений в образцах с разной структурой. Отмечена значительная разница зависимостей параметров ударного упрочнения от структуры материала при субмикросекундном и микросекундном нагружениях. Это позволило предположить отличие вклада различных механизмов пластического течения в процессе упрочнения металлов в том и другом из упомянутых диапазонов нагружений.
Экспериментальные исследования Ю.В. Судьенкова алюминиевых и медных образцов, отожженных в интервале температур 100-700°С, при импульсном лазерном нагружении (ти = 50нс, Р = 350МПа) обнаружили осцилляции пластического течения за фронтом упругого предвестника. Они были предсказаны ранее с помощью дислокационной модели [11]. Зоны возникновения осцилляционного течения зависят от параметров нагружения и среды, таких как коэффициент размножения дислокаций, их плотность, коэффициент упрочнения. Причем анализ показал, что имеются две области изменения скорости пластических волн, в одной из которых реализуются затухающие колебания, во второй - нарастающие. В экспериментах наблюдались только затухающие осцилляции.
4. Известные критерии прочности материалов, разработанные в рамках механики сплошных сред, малопригодны для случая нагружения короткими импульсами. Наиболее полно закономерности и особенности
15
явления разрушения удается объяснить в рамках структурно-временного подхода [12, 13].
Подводя итоги вышесказанному, отметим два основных момента, характеризующих поведение материалов в условиях субмикросекундного и наносекундного диапазонов нагружений.
Во-первых, в указанном диапазоне нагружений из-за большой скорости ввода энергии ударноволновой процесс сугубо неравновесный и нестационарный. Здесь нельзя выделить какой-либо преимущественный механизм деформирования и разрушения, по всей вероятности они реализуются одновременно.
Во-вторых, при рассмотрении процесса распространения волн напряжения следует учитывать структурные параметры среды.
Цель и методы исследования.
Целью настоящей работы является экспериментальное и теоретическое исследование поведения материалов в условиях нестационарного кратковременного воздействия в субмикросекундном и наносскундном диапазонах длительностей, а также магнитопластичности диамагнитных кристаллов.
При проведении экспериментов использовались как уже известные и хорошо себя зарекомендовавшие методы, гак и новые, специально разработанные для выполнения указанных выше исследований. В диссертации использованы также теоретические методы исследования -методы неравновесной механики, механики сплошной среды, гидродинамики, численные методы решения краевых задач.
В процессе выполнения работы были намечены и решены следующие основные задачи.
• Создание комплекса экспериментальных установок по исследованию высокоскоростного нагружения материалов в субмикросекундном и наносекундном диапазонах длительностей и изучению
16
магнитопластичности диамагнитных кристаллов.
• Разработка методов и создание методик регистрации основных параметров нагружения и разрушения твердых тел с высоким временным и пространственным разрешением.
• Экспериментальное и теоретическое изучение взаимодействия кратковременных мощных пучков электронов с поверхностью материалов с целью установления их влияния на деформационные и прочностные характеристики конструкционных материалов.
• На основе анализа экспериментальных исследований разработка математических моделей формирования упругопластической волны в приповерхностной области при нагружении короткими импульсами в субмикросекундном и наносекундном диапазонах длительностей.
• Проведение исследований разрушения горных пород новым электроразрядным способом в субмикросекундном диапазоне нагружений.
• Разработка метода и проведение исследования высокоскоростного соударения тел с преградой на основе использования явления электрического взрыва проводников в широком диапазоне длительностей и амплитуд нагружения.
• В рамках «балочного» подхода вывод уравнения движения трещины при импульсном кратковременном нагружении и анализ его решений.
• Изучение разрушения кольцевых металлических образцов при кратковременных нагружениях магнитно-импульсным методом.
• Рассмотрение вопросов микро- и макропластичности кристаллов при комбинированном воздействии механических и магнитных полей.
17
Результаты, выносимые на защиту.
1. Создан комплекс экспериментальных установок по исследованию высокоскоростного нагружения материалов в субмикросекундном и наносекундном диапазонах длительностей и по изучению магнитопласгичности диамагнитных кристаллов.
2. На основе разгона частиц разлетающимся веществом при электрическом взрыве проводников и с помощью прикатодной плазмы, воздействующей на анод-мишень сильноточного импульсного генератора электронного пучка, предложены 2 способа моделирования высокоскоростных соударений мелкодисперсных частиц с преградами, разработана и отлажена в лабораторных условиях методика, позволяющая измерять их скорость; предложен метод и проведено исследование высокоскоростного соударения тел с преградой на основе использования явления электрического взрыва проводников в широком диапазоне длительностей и амплитуд нагружения; разработаны метод инициирования роста трещин и метод измерения скорости их движения при импульсном нагружении с помощью электрического взрыва проводников, а также определено пороговое значение амплитуды разрушающей нагрузки в условиях динамического воздействия.
3. Построены приборы по регистрации основных параметров нагружения и разрушения твердых тел с высоким временным и пространственным разрешением с применением лазерного интерферометра Майкельсона и лазерного дифференциального интерферометра и исследован механизм откольного разрушения анода сильноточного ускорителя при воздействии импульсного наносекундного электронного пучка. Разработан и апробирован магнитно-импульсный метод разрушения и фоторегистрации момента разрушения кольцевых металлических образцов при существенно коротких импульсах нагружения.
18
4. На основе анализа проведенных экспериментальных исследований разработаны математические модели формирования упругопластической волны в приповерхностной области при нагружении короткими импульсами в субмикросекундном и наносекундном диапазонах длительностей, сформулирован гидродинамический подход и проведено моделирование высокоскоростного нагружения материалов при воздействии короткого интенсивного электроннопучкового излучения. Предложена математическая модель описания процесса разгона мелкодисперсных частиц при электрическом взрыве проводников. Дано приближённое решение задачи о взаимодействии потока твёрдых частиц с преградой.
5. По результатам систематического исследования процесса разрушения горных пород новым электроразрядным способом в субмикросекундном диапазоне нагружений выявлены основные механизмы и динамические пороги разрушения. Показаны возможности практического применения данного высокотехнологичного и высокоэффективного способа разрушения при сравнительно малых энергозатратах.
6. В рамках «балочного» подхода выведено уравнение движения трещины при импульсном кратковременном нагружении и сформулирован динамический критерий распространения трещины при импульсных нагрузках.
7. Установлен факт сильного воздействия на дислокационную подсистему кристалла ЫаС1 слабых магнитных полей в условиях импульсного и гармонического переменного магнитного поля. В магнитном поле Земли в схеме электронного парамагнитного резонанса реализован резонанс дислокационных перемещений и определены его основные характеристики. Обнаружен и исследован эффект понижения динамического предела текучести в кристаллах ЫаС1. Выявлено, что
19
магнитное поле влияет существенным образом через параметр дислокационной вязкости на характеристики эволюции упругопластического импульса при его распространении.
Результаты, выносимые на защиту, опубликованы в работах [1,2, 10, 11, 24, 31, 160, 220, 221, 234, 245, 253, 291, 296, 297, 300, 301, 307, 325, 326, 327, 328, 329, 330, 331, 332, 333, 334, 335, 336, 337, 338, 339, 340, 341, 342, 343, 344, 345, 346, 347, 348]
Структура диссертации и содержание глав.
Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы, насчитывающего 348 наименований. В работе содержится 113 иллюстраций и 4 таблицы. Общий объем работы 330 страниц.
В главе I приводится обзор литературы по направлениям, рассмотренным в диссертации.
Глава II посвящена вопросам моделирования движения среды при кратковременном импульсном нагружении.
В третьей главе рассматриваются гидродинамический и кинетический подходы к решению задач высокоскоростного нагружения материалов, поглощающих излучение мощных кратковременных импульсов.
В четвертой главе исследуется разрушение материалов при кратковременных импульсных воздействиях в субмикросекундном и наносекундном диапазонах длительности с помощью различных методов нагружения.
Пятая глава посвящена вопросам генерирования мелкодисперсных частиц и высокоскоростного столкновения их с преградой.
В шестой главе изучается микро- и макропластичность кристаллов при комбинированном воздействии механических и магнитных полей, а также исследуется магнитопластический эффект.
20
Глава I.
1.1. Воздействие мощных импульсных кратковременных пучков
электронов на твердые тела.
В последнее время в нашей стране и за рубежом интенсивно развиваются исследования по взаимодействию мощных пучков частиц -фотонов, электронов, а также ионов различных элементов с поверхностями и приповерхностными слоями твердых тел, в частности, различных конструкционных материалов. Обычно при изучении и практическом применении энергии пучков наибольший акцент делается на изменение материала вследствие его плавления. В данной работе основное внимание уделяется исследованиям изменений механических свойств, вызванных рассеянием частиц в материале, в том числе возможности возникновения в твердых телах хрупкого разрушения вследствие механических напряжений. Уже в настоящее время ясно, что такие исследования имеют не только академическое значение. Имеющиеся результаты позволяют рассчитывать на широкое применение мощных пучков частиц в технологии современных материалов.
С помощью импульсных электронных пучков относительно невысокой плотности мощности 108 -10° Вт/см2 [14] можно осуществить мгновенный нагрев поверхности материала с последующим естественным остыванием - режим поверхностной закалки.
При увеличении плотности мощности импульсного излучения (до 5 109 Вт/см2) поверхностный слой облученного металла расплавляется и затем быстро остывает за счёт диссипации тепла вглубь образца. Подбирая режимы (энергия частиц, плотность потока, длительность импульса и т.п.) можно аморфизировать поверхностную и приповерхностную области облучаемого образца. При дальнейшем повышении плотности мощности
21
воздействующего излучения становится возможным интенсивное испарение материала. Такой режим может быть использован для формирования покрытий из материала анода, который в виде расплавленных мелких капель, нейтральных частиц и ионизированных атомов может быть осажден на поверхности катода. При скорости охлаждения расплавленного поверхностного слоя материала 106 -107 град/с возможно образование мстастабильных фаз, в том числе и аморфных.
Большое количество экспериментов по динамическому нагружению сплошных сред демонстрирует фундаментальные различия между ‘‘быстрым” динамическим разрушением и аналогичным процессом разрушения под действием медленных квазистатических нагрузок. Одной из основных задач при определении динамических прочностных свойств материалов является исследование взаимосвязи предельных силовых параметров, ведущих к разрушению материала, с длительностью, амплитудой и скоростью роста прикладываемой нагрузки. В то время как в случае статики критическое значение прочностных параметров является постоянной для данного материала и условий, в случае динамического нагружения экспериментально наблюдаемые критические характеристики разрушения нестабильны и ведут себя достаточно непредсказуемо. Упомянутые (а, также, другие) наблюдаемые эффекты поведения материалов, подверженных импульсным динамическим и ударным нагрузкам, являются общими для целого ряда различных физических процессов. Среди них можно упомянуть динамическое разрушение (инициация трещины, ее распространение и остановка, эффекты откола), кавитация в жидкости, электрический пробой в изоляторах, инициирование детонации в газовых смесях и т.д.
При импульсном воздействии частиц с высокой энергией возникает целый комплекс разнообразных и взаимосвязанных физико-механических
22
эффектов, анализ которых представляет значительные трудности. В рамках волновой механики развитие процессов может быть описано как формирование волн напряжений в приповерхностной области и их распространение вглубь материала. Информация может быть получена при изучении динамических характеристик высокоскоростного нагружения, деформирования и откольного разрушения как нагружаемой, так и тыльной поверхности образца.
Наряду с макроскопическим описанием процессов крайне важной для глубокого понимания механизмов воздействия частиц на материалы является информация о происходящем в поверхностном слое материала на атомарном уровне. Это требует проведения исследований с использованием современных методов структурного и элементного анализа.
Исследование воздействия высокоэнергетических пучков частиц представляет особый интерес еще и постольку, поскольку при этом появляется возможность изучения воздействия чрезвычайно кратковременных нагружений, вплоть до наносекундного и субнаносекундного диапазона. Т.е. такого временного интервала, которое недостижимо на современных метательных установках, обычно используемых при такого рода исследованиях. В этом случае длины волн напряжений, возникающих вследствие нагружения, становятся сравнимыми с характерными размерами дефектной структуры материала (трещины, границы зёрен, дислокации и т.д.), что создаёт особые условия для процессов пластического деформирования, охрупчивания, разрушения и т.п.
В настоящее время в связи со строительством рентгеновского лазера на свободных электронах (ХРЕЬ) Россия получит возможность работать со сверхкороткими импульсами электромагнитного излучения, недоступными в настоящее время экспериментаторам. Результаты данной работы будут
23
использованы при постановке исследовательских задач на этом современном приборе.
В данном разделе основное внимание уделяется воздействию на материалы пучков электронов. Рассматривается термоупругое взаимодействие импульсных электронных пучков с твердыми телами и взаимодействие мощного импульсного электронного пучка с поверхностями твердых тел.
1.1.1. Термоупругое взаимодействие импульсных электронных пучков
с твердыми телами.
Под термоупругим взаимодействием импульсных пучков заряженных частиц с твёрдым телом понимают состояние облученной среды, когда она не доводится до плавления и тем более до испарения. Пучок частиц считается достаточно разреженным, что позволяет пренебречь взаимодействием частиц в потоке. Для решения задач по определению энерговклада от пучка в мишень применяются методы Монте-Карло. Впервые исследование взаимодействия импульсных электронных потоков с твердым телом в такой постановке проводилось в работе [15]. Наблюдалось хрупкое разрушение полупроводников. К настоящему времени продемонстрировано разрушение всех классов твердых тел: металлы, полупроводники, ионные кристаллы, стёкла и горные породы. Механизм разрушения не является общим для всех материалов и представляет несомненный научный и практический интерес. Имеющиеся к настоящему времени модели разрушения не полностью описывают реальные процессы. В качестве основного механизма разрушения всех классов твёрдых тел, за исключением пожалуй щёлочно-галоидных кристаллов, предполагается разрушение за счёт термоупругих напряжений, возникающих в области внедрения электронов.
24
Взаимодействие с твёрдыми телами импульсных электронных пучков малой мощности, не вызывающих плавления материала, определяется спектральным энергетическим распределением частиц в пучке и свойствами веществ (атомным весом, потенциалом ионизации и др.). Основными видами потерь энергии электронов при прохождении в среде являются следующие: ионизационные потери - происходят в результате неупругих столкновений электронов пучка с электронами тормозящей среды, сопровождающихся ионизацией и возбуждением атомов среды; радиационные потери, связанные с неупругими столкновениями с ядрами атомов, сопровождающиеся тормозным излучением и ядерными реакциями; потери на упругие столкновения электронов с ядрами среды (сечение упругого рассеяния электрона на ядре даётся классической формулой Резерфорда [16]); потери энергии на излучение Вавилова - Черенкова, которые возникают при превышении скорости электронов фазовой скорости электромагнитных волн в среде. Последние пренебрежимо малы при энергиях электронов, меньших 0,5 МэВ. Для энергий электронов, меньших 0,5 МэВ, ионизационный вид потерь является определяющим. Перечисленные виды потерь не являются полными, т.к. известны квантовые энергетические потери, связанные с возбуждением коллективных осцилляций плазмы (плазмонов) и как следствие - резонансное поглощение энергии пучка плазмонами.
При падении на поверхность твёрдого тела энергетически заряженных частиц значительная часть поглощённой энергии расходуется на возбуждение акустических фононов. Одно из проявлений фононного возбуждения - генерация упругих напряжений, которые распространяются в среде.
Анализ экспериментальных данных по разрушению металлов, горных пород, полупроводников показывает, что основной причиной разрушения этих материалов в условиях электронного облучения является
25
термоудар - быстрый локальный нагрев материала в зоне облучения, который приводит к возникновению термоупругих напряжений. При наносекундных длительностях воздействия расширением зоны поглощения за время действия импульса облучения пренебрегается.
Математические модели, описывающие термоупругое взаимодействие импульсных электронных пучков с различными материалами, как правило, используют несвязанную теорию термоупругости. В соответствии с этой теорией в случае одномерной модели динамическое уравнение тсрмоупругости имеет следующий вид [17]:
(1Л)
Та{х*ЬПх4)
гд еиш) = р \ с„(7")<*Г,
Т0(х>
Т0(х) - начальная температура в точке *; р - плотность среды; с - продольная скорость звука; и - смещение частиц среды;
с„ - удельная теплоемкость при постоянном объеме;
ДГ(*,/) - изменение температуры в точке л в момент времени г,
Г - параметр Грюнайзена, предполагаемый независимым от времени.
В соответствии с уравнением (1.1) смещение в любой точке определяется величиной выделяемой удельной энергии, которая зависит от параметров электронного пучка и характеристик облучаемого материала.
При рассмотрении процесса формирования волны напряжения при
термоупругом ударе электронным пучком необходимо учитывать также
размеры зоны и форму профиля выделения энергии электронов в материал.
На границах области, в которой происходит основное выделение энергии,
формируются две волны смещения противоположных направлений. Одна
26
волна распространяется в глубь материала, вторая волна после отражения на передней (облучаемой) поверхности меняет знак напряжения на противоположный и с некоторым запаздыванием /+, равным времени прохождения волны по области выделения энергии, распространяется далее в том же направлении, что и первая. В результате происходит наложение двух волн. Качественно это видно из общего решения уравнения (1.1), которое может быть записано в следующем виде 117]:
где и+ соответствует волне смещения, распространяющейся в положительном направлении оси *, а £/, - в отрицательном. Учет запаздывания к в это решение может быть введён, полагая в любой точке
т:
где К= с /+ - глубина пробега электронов,
с - продольная скорость звука в облученной зоне.
Характер распространения волны иллюстрируется рис. 1.1. Измерение параметров волновых движений осуществляется либо при помощи пьезодатчиков [1,344], либо лазерных интерферометров [160,221]. В первом случае регистрируются профили давления в материале, во втором - смещения свободных поверхностей. В работе [18] на основе нашего авторского свидетельства на изобретение № 766544 от 28.05.1980г. предложена экспериментальная методика, позволяющая измерять смещения облучаемой (передней) и тыльной поверхностей мишени с помощью лазерного интерферометра Майкельсона, схема которого была модернизирована применительно к конкретным условиям эксперимента. Схема измерения смещения нагружаемой и свободной поверхностей мишени показана на рис. 1.2.
и
(1.2)
и.(х-с1) = -и_(х + с'1-И),
(1.3)
27
Рис. 1.1. Эпюра взаимодействия прямой и отраженной волн. 1-фронт прямой волны, 2-фронт
Рис.1.2. Схема измерения смещений поверхностей мишени.
отраженной волны, 3- профиль волны напряжения.
В схему устройства, содержащую лазер непрерывного излучения 1, два зеркала полного отражения 3 и 4, роль которых выполняют отполированные поверхности мишени, а также полупрозрачное зеркало 2, фотоприёмник 5 и источник пучка электронов 6, вводится зеркало полного отражения 7, смонтированное внутри источника пучка электронов (катода) и направляющее один из лучей света после полупрозрачного зеркала на облучаемую поверхность. Второй луч от полупрозрачного зеркала направляется на свободную поверхность мишени. При импульсном нагружении поверхности 4 возникает импульс механического смещения на этой поверхности, в то время как свободная поверхность 3 остается неподвижной, так как импульс механического смещения частиц материала не успевает дойти до неё. Измерение импульса смещения на свободной поверхности осуществляется с помощью того же интерферометра, однако опорные и информативные плечи меняются ролями, так как нагружаемая
28
поверхность 4 становится неподвижной, а на свободной поверхности 3 появляется импульс смещения, прошедший через материал мишени. Работа описанной выше схемы измерения иллюстрируется на рис. 1.3 и соответствует импульсному облучению мишени из алюминия марки Л-995 электронным пучком, обладающим следующими характеристиками: ток пучка 1,2 кА, энергия электронов 200 кэВ, длительность импульса тока 60 не.
Рис. 1.3. Интерферограмма смещения поверхностей мишени и профиль волны напряжения на передней и тыльной поверхностях мишени.
А - смещение в отн. ед.
Как видно из рисунка, на тыльной поверхности мишени регистрируются два импульса. Первый из них обусловлен термоупругим воздействием электронов, внедрившихся в материал мишени, второй импульс обязан тепловому удару по поверхности от плазмы, движущейся от катода к аноду ускорителя при вакуумном пробое. На способ определения скорости движения фронта плазмы нами получено авторское свидетельство на изобретение № 831037 от 14.01.1981г.
При тепловом ударе в тонком приповерхностном слое мишени возникает напряжённое состояние. Об этом однозначно свидетельствует картина расположения сколов и линий скольжения, характерная для плоского напряжённого состояния круглой пластины.
29
Как показано в работах Даниловской [19], динамическое тепловое нагружение поверхности сопровождается возникновением не только чисто сдвиговых компонент термоупругого напряжения, но также продольной компоненты, которая распространяется вглубь материала вслед за импульсом, вызванным электронным пучком.
При оценке амплитуды механического напряжения, возникающего вследствие термоупругого воздействия импульсного электронного пучка, считается, что длительность импульса Ти существенно меньше времени
тепловой релаксации тц = ^—.Д> - характерный размер области, в
к
которой имеет место выделение основной части энергии, р - плотность материала образца, сх, - удельная теплоемкость материала при постоянном объеме, к - коэффициент теплопроводности). При этом можно считать ввод энергии мгновенным, что позволяет пренебречь теплоотводом из области энерговыделения за время действия импульса. Тогда связь между объемной плотностью поглощенной энергии Е, и х -компонентой возникающего в объеме энерговыделения напряжения су(х) в одномерной модели линейна [20]:
<г(х) = -Г'Е'(х\ (1.4)
где Г = —— параметр Грюнайзена,
р - ЪаКт, а - коэффициент линейного расширения,
Кт - изотермический объёмный модуль сжатия.
Данное соотношение следует из решения волнового уравнения (1.1), приведенного выше.
Измеренные в многочисленных экспериментах значения разрушающих напряжений в хрупких материалах, таких как стекло, щелочно-галоидные кристаллы, кремний, германий и др., подверженных
зо
облучению импульсным электронным пучком, близки к механическим статическим порогам разрушения. Однако эти значения не согласуются с тем обстоятельством, что динамические разрушающие напряжения в упругопластических материалах в 3-5 раз больше статических. Этот факт возможно связан с возникновением локальных полей напряжений вокруг микротрещин, приводящих к образованию некоторых областей повышенных напряжений, что способствует разрушению образца. В настоящее время методов определения локальных напряжений при кратковременных импульсных нагружениях не существует, а усредненные методы измерения, по-видимому, не отражают реальную картину. Исследование скоростей разрушения при импульсном электронном облучении [21] показало наличие сверхзвукового разрушения, скорость которого в 1,5-3 раза превосходит скорость рэлеевских волн, что указывает на необычный механизм разрушения.
Замечено [15,22], что существуют пороги разрушения, характеризующиеся критической плотностью облучения (плотностью поглощенной в материале энергии). Причём, при разрушении образцы раскалываются хрупким образом на осколки, количество которых зависит от плотности потока электронов. Отметим, что подобным образом наблюдалось разрушение алюминиевых колец |23, 24], подвергнутых динамическому нагружению электромагнитными импульсами.
Как отмечалось в работе [25], при воздействии импульсных электронных пучков на мишени, толщина которых значительно превосходит глубину проникновения электронов пучка, разрушение материала происходит за счёт прорастания магистральной трещины на всю глубину образца. При этом для разрушения тела требуется энергия, значительно большая по сравнению с той, что идёт на разрушение образцов, толщина которых соизмерима с глубиной внедрения электронов.
31