Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Волновые взаимодействия при ударном сжатии металлов 11
1.1 Одномерное сжатие конденсированных сред 11
1.2 Метод характеристик для волны сжатия и разрежения 13
1.3 Взаимодействие волн сжатия и разрежения в упругом и упруго-пластическом теле 18
1.4 Разрушение металлов при ударноволновом нагружении 22
1.5 Полиморфные превращения в твердых телах при ударно-волновом нагружении 28
1.5.1 Распространение волн сжатия и разрежения при фазовом переходе. Ударная волна разрежения 28
1.5.2 Кинетика фазового перехода 31
Глава 2. Экспериментальные методы исследования ударно-волновых процессов в металлах 34
2.1 Современные методы генерации плоских ударных волн 34
2.2 Методы регистрации газодинамических и кинематических параметров ударно-сжатой среды 38
2.3 Методика регистрации газодинамических параметров охлажденных образцов лазерным допплеровским измерителем скорости VISAR 46
2.4 Методы измерения скорости звука в ударносжатой среде 49
Глава 3. Поведение монокристаллов цинка ориентации <001> в волнах сжатия и разрежения 52
3.1 Метод измерения ударной сжимаемости монокристаллического цинка в направлении оси кристалла <001> 53
3.2 Подготовка монокристаллических образцов цинка к ударно-волновым экспериментам при комнатной и повышенной температурах 61
3.3 Сжимаемость монокристаллов цинка в направлении <001> 64
3.3.1 Измерение продольной скорости звука в цинке при комнатной и повышенной температурах 64
3.3.2 Численное моделирование процесса переотражения волн в цинке с учетом экспериментальных данных 69
3.4 Определение предела упругости монокристаллов цинка в направлении нагружения вдоль главной оси кристалла <001> 74
Глава 4. Полиморфный а—Ко переход в высокочистом титане при ударно-волновом нагружении .81
4.1 Введение и литературный обзор 81
4.2 Подготовка образцов высокочистого титана к ударноволновым экспериментам при комнатной и повышенной температурах 86
4.3 Исследование влияния температуры образцов на а-оз фазовый переход в высокочистом титане 88
Глава 5. Упругопластические и прочностные свойства титановых сплавов и конструкционной стали в широком диапазоне температур ...96
5.1. Введение и литературный обзор 96
5.2 Подготовка образцов титановых сплавов T1-6-22-22S и H6AL4V
и конструкционной стали 1,2311 к ударноволновому нагружению при комнатной и повышенной температурах 98
5.3 Упруго-пластические и прочностные свойства титановых сплавов и конструкционной стали 100
Основные результаты и выводы 111
Литература
- Метод характеристик для волны сжатия и разрежения
- Методы регистрации газодинамических и кинематических параметров ударно-сжатой среды
- Подготовка монокристаллических образцов цинка к ударно-волновым экспериментам при комнатной и повышенной температурах
- Подготовка образцов высокочистого титана к ударноволновым экспериментам при комнатной и повышенной температурах
Введение к работе
Основной целью исследований свойств материалов в условиях ударно-волнового нагружения является обеспечение прогнозируемости действия взрыва, высокоскоростного удара, высокоскоростных газо-плазменных потоков, лазерных и других интенсивных импульсных воздействий на материалы и конструкции. Потенциальные возможности экспериментов с ударными волнами определяются не только широким диапазоном достижимых давлений и температур, но также чрезвычайно высокой скоростью их изменения. Эти обстоятельства открывают уникальные возможности для исследований в области физики фазовых и полиморфных превращений, физики прочности и пластичности. Процессы структурных превращений, пластического течения и разрушения сопряжены с изменениями сжимаемости вещества и, вследствие этого, проявляются в структуре волн сжатия и разрежения. Техника ударных волн является мощным инструментом изучения свойств материалов при экстремально высоких скоростях деформирования с хорошо контролируемыми условиями нагружения.
Высокие давления и температуры при ударном сжатии твердых тел могут вызывать в них полиморфные превращения. Наиболее интересной фундаментальной проблемой в этом отношении является вопрос о механизме высокоскоростного превращения. Известно, что при ударном сжатии структурная перестройка в твердых телах может происходить за времена 10' 9—10"7 с и менее [1].
В настоящее время в экспериментах с ударными волнами достижимы для измерений не только чрезвычайно высокие напряжения сжатия, но и значительные отрицательные давления, которые генерируются в образцах твердых или жидких материалов при взаимодействии двух встречных волн разрежения. На анализе взаимодействия волн сжатия и разрежения основываются, в частности, измерения субмикросекундной прочности
5 материалов на разрыв - так называемой откольнои прочности. Естественно предположить, что растяжение кристаллов может вызывать их структурные превращения, подобные тем, что имеют место при сжатии. Эти обстоятельства делают актуальным вопрос об уравнении состояния твердых тел в области отрицательных давлений.
Новые возможности при изучении свойств веществ в экстремальных условиях открываются с введением температуры в качестве регулируемого параметра ударно-волновых испытаний материалов. При этом первоочередной задачей для ударно-волновых исследований при повышенных и криогенных температурах является определение влияния температуры на термодинамические и кинетические параметры полиморфных превращений, а также на упруго-пластические и прочностные характеристики материалов при субмикросекундных длительностях нагрузки, что актуально и важно для физики прочности, материаловедения, физики твердого тела. Цель работы:
Экспериментальное исследование влияния температуры на зависимость скорости звука в монокристаллах цинка от давления в области сжатия и растяжения, на полиморфное превращение а-»со в высокочистом титане, на упругопластические и прочностные свойства монокристаллического цинка, титановых сплавов ТІ6А14У и Ti62222S, и конструкционной стали 1.2311 различной твердости. Научная новизна:
Предложен метод измерения сжимаемости вещества в области растяжения, с помощью которого впервые получены данные о скорости звука в монокристаллах цинка в диапазоне напряжений сжатия/растяжения от -2 ГПа до 13 ГПа при комнатной и повышенной температурах,
Обнаружен необычный характер структуры упругопластических ударных волн без расщепления на упругий предвестник и пластическую
волну сжатия в монокристаллах цинка ориентации <001>. Определено значение динамического предела упругости в монокристаллах цинка данной ориентации, которое составляет 14-15 ГПа.
Обнаружено сильное влияние температуры на скорость превращения
а->ш в титане и интенсивности ударной волны на давление начала
превращения при сжатии, которое не согласуется с релаксационным
затуханием волн, наблюдавшимся ранее при полиморфном превращении в
* железе, хлористом калии и других материалах. Экспериментальные данные
свидетельствуют о том, в субмикросекундном временном диапазоне это превращение необратимо.
Показано, что величина динамического предела упругости титановых сплавов Ti6A14V и Ti6-22-22S и конструкционной стали 1.2311 различной твердости в диапазоне температур -170С - 600С уменьшается с ростом температуры. Откольная прочность титановых сплавов незначительно уменьшается с ростом температуры, а критические разрушающие напряжения в стали увеличиваются с ростом твердости и температуры в положительной области температур и уменьшаются с ростом твердости при охлаждении. Таким образом, во всем интервале температур механизм деформирования и разрушения исследованных металлов сохраняет свою термофлуктуационную природу. Практическая ценность:
Полученные в работе экспериментальные значения скорости звука в цинке в широком диапазоне давлений и температур, данные о влиянии температуры на полиморфные превращения в титане и на упругопластические и прочностные свойства титановых сплавов и стали могут быть использованы для построения моделей деформирования и разрушения твердых тел для расчетов динамического воздействия на материалы и конструкции. Предложенные методы регистрации параметров
7 ударно-сжатой среды при криогенных температурах позволяют расширить область построения определяющих соотношений и уравнений состояния. Метод исследований:
Метод исследований основан на непрерывной регистрации профилей скорости свободной или контактной поверхности исследуемых образцов при различных начальных температурах в процессе нагружения импульсами сжатия различной амплитуды и длительности и последующем анализе волновых профилей. Основные положения выносимые на защиту:
Метод измерения продольной скорости звука в металлах при ударном сжатии и растяжении.
Результаты измерения продольной скорости звука в монокристаллах цинка ориентации <001> при сжатии и последующем растяжении при комнатной и повышенной температурах.
Результаты измерения упругопластических свойств монокристаллов цинка данной ориентации при комнатной температуре.
Исследование влияния температуры на превращение а->со в высокочистом титане.
Методика регистрации газодинамических параметров образцов лазерным допплеровским измерителем скорости VISAR.
Результаты измерений динамического предела упругости и откольной прочности титановых сплавов Ti6A14V и ТІ622228 и конструкционной стали 1.2311 в широком диапазоне температур.
Результаты диссертации опубликованы в 11 научных статьях и тезисах докладов в российских и зарубежных научных журналах и сборниках и докладывались на Международной конференции "Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество" (п. Эльбрус, 2001 г., 2003 г. и 2005 г.), Шестой конференции молодых ученых и специалистов ОИЯИ (г. Дубна, 2002 г.), IV
школе-семинаре "Физика взрыва и применение взрыва в физическом эксперименте" (Новосибирск, 2003 г.), Международной конференции "Уравнения состояния вещества" (п. Эльбрус, 2004 г.), Международной конференции Американского физического общества «Shock Compression of Condensed Matter» (США, 2003 г. и 2005 г.), а также на научных семинарах и конкурсах научных работ в ИПХФ РАН. Структура работы:
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, где сформулированы основные результаты и выводы, и списка цитируемой литературы, состоящего из 107 ссылок.
В первой главе кратко приводятся основные сведения из механики сплошной среды в виде законов сохранения и замыкающего уравнения состояния, необходимых для понимания постановки задачи и интерпретации полученных результатов. Описан метод характеристик, основанный на анализе t-x - диаграммы состояний, который позволяет подробно рассматривать волновые взаимодействия внутри образца при ударноволновом нагружении и на основании данного анализа получать количественные данные, такие как, зависимости скорости звука от давления и температуры. Приведены определяющие соотношения для материалов, проявляющих упругопластические свойства в условиях одномерного импульсного нагружения и соотношения для определения динамического предела упругости и откольной прочности из профилей скорости свободной поверхности. Подробно рассмотрен процесс откольного разрушения материалов. В последнем параграфе рассматриваются некоторые сведения о полиморфных превращениях материалов при динамическом сжатии. Кратко описывается кинетика фазового перехода и возникающие при этом возможные структурные изменения.
Во второй главе приводится обзор существующих методов генерации ударных волн, позволяющих создавать давления в исследуемых средах до
9 сотен гигапаскалеи, и основных методов регистрации газодинамических параметров среды с различными свойствами при одноосном сжатии. Подробно описана работа лазерного допплеровского измерителя скорости свободной и контактной поверхностей VISAR, а также методы измерения скорости звука в ударно-сжатых и разгруженных образцах - методы "боковой" и "догоняющей" разгрузки.
Третья глава посвящена исследованию сжимаемости
монокристаллического цинка при ударном сжатии и разгрузке при комнатной и повышенной температурах. В частности, предложен метод измерения скорости распространения возмущений в упругой ударно-сжатой среде - продольной скорости звука, основанный на анализе волновых взаимодействий внутри образца с помощью t — х - и Р - U - диаграмм состояний с использованием данных, полученных экспериментальным путем из анализа профилей скорости свободной поверхности и ударной адиабаты. Проведены измерения продольной скорости звука в монокристаллах цинка, нагружаемых в направлении <001> при сжатии до 13 ГПа и разгрузке до -2 ГПа при температуре образцов 20С и 320С. Для проверки корректности полученных значений скоростей звука проведено численное моделирование процесса волновых взаимодействий, которое дало хорошее совпадение экспериментального и расчетного профилей в реализуемом диапазоне напряжений. Экспериментально определено давление перехода от упругого к пластическому деформированию монокристаллов цинка данного направления. Вследствие незначительного расхождения продольной и объемной скоростей звука в цинке направления <001> при превышении предела упругости не наблюдается формирования двухволновой конфигурации.
В четвертой главе представлены результаты исследований влияния температуры на а-»ш фазовый переход в высокочистом титане. В
10 зависимости от скорости деформирования наблюдается различное поведение материала при фазовом переходе: при увеличении импульса сжатия до 10 ГПа давление начала превращения падает с ростом температуры, в отличии от данных, полученных при интенсивности импульса сжатия 5 ГПа. Скорость превращения с нагревом увеличивается. Независимо от амплитуды импульса сжатия первая пластическая волна сжатия затухает по мере распространения в образец и равна 2 ГПа и 4.5 ГПа при 20С и 3.2 ГПа и 2.9 ГПа при 400 -465С при максимальном давлении в волне сжатия 5 ГПа и 10.6 ГПа, соответственно. Смена направления нагружения на перпендикулярное приводит к увеличению давления начала перехода с нагревом с 5.47 ГПа при 20С до 6.3 ГПа при 400С. При разгрузке ударно-сжатых образцов не обнаружено никаких признаков обратного фазового превращения.
В пятой главе приведены результаты измерений упругопластических и прочностных свойств титановых сплавов Ti6-22-22S и Ti6A14V и конструкционной стали 1.2311 различной твердости в широком диапазоне температур. Для охлаждения образцов был разработана новая методика регистрации газодинамических параметров охлажденных образцов с помощью лазерного допплеровского измерителя скорости VISAR. Показано, что температура незначительно сказывается на плотность, объемную и продольную скорости звука, модули упругости исследуемых металлов. Динамический предел упругости для титановых сплавов и стали с нагревом падает, Откольная прочность для титановых сплавов незначительно уменьшается, а для стали сильно зависит от твердости.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертации.
Работа выполнена в лаборатории Реологических свойств конденсированных сред при импульсном воздействии в Отделе Экстремальных состояний вещества вещества ИПХФ РАН.
Благодарности.
Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю Разоренову Сергею Владимировичу за терпеливое и чуткое руководство; Канелю Геннадию Исааковичу за советы и поддержку на всем протяжении работы; сотрудникам лаборатории Реологические свойства конденсированных сред: Ермолову Л.Г., Скачкову П.В., Иванчихиной Г.Е., Савиных А.С, Гаркушину Г.В. за помощь в подготовке и проведении экспериментов; а также всему коллективу Отдела экстремальных состояний вещества ИПХФ РАН за доброжелательное отношение, плодотворные обсуждения результатов диссертации и помощь в ее подготовке.
Метод характеристик для волны сжатия и разрежения
Для описания движения ударносжатой среды и анализа волновых взаимодействий наиболее удобен метод характеристик, позволяющий в координатах время - расстояние и давление - массовая скорость наглядно представлять реализуемые состояния вещества. В данном параграфе рассматриваются основные положения метода характеристик, вводятся понятия инвариантов Римана, определяются волны сжатия и разрежения, рассматривается задача о распаде разрыва при соударении мягкого ударника с жесткой мишенью.
Пусть в точке неподвижной среды с координатой XQ В момент времени t0 генерируются произвольные малые возмущения скорости и давления, описываемые функциями U(x,t) и P(x,t) [3]. От этой точки в противоположные стороны побегут две волны со скоростью звука с. Произвольные возмущения AU и АР можно всегда разложить на две составляющие: AU=AUi+AU2, АР=АР;+АР2. Малые возмущения этих величин связаны между собой соотношениями:
Если среда движется с некоторой скоростью U, то в эйлеровой системе координат скорость движения среды будет равна (U ± с) для волн, распространяющихся в положительном или отрицательном направлениях. Линии, вдоль которых распространяются малые возмущения в плоскости х, t, называются характеристиками. При одномерном изэнтропическом течении среды существует два семейства: С+ и С. - характеристики, которые dx _тт dx описываются уравнениями: -и+с и Tt соответственно.
Возмущения, переносимые вместе с веществом, "распространяются" в dx _ плоскости х, t вдоль характеристик третьего семейства Со: т и , которые называются линиями тока. В плоскости х, t все три семейства характеристик представляют сетку, состоящую из пересекающихся в каждой точке пространства криволинейных линий, наклоны которых определяются скоростью распространения возмущений относительно неподвижной системы координат.
Уравнение движения (1) выраженное через переменные вдоль характеристик имеет следующий вид [3]: dU + — dP = 0 вдоль С+: — = U + c, рс dt л=и-с (1-13) dU—dP = 0 вдоль С_: = U-c, рс dS = 0 вдоль С,: — = U. 0 dt При изэнтропическом течении, когда энтропия постоянна, выражения (1.13) вдоль С+ - и С. - характеристик представляют полные дифференциалы инвариантов Римана, которые имеют вид: и+\ = и+іЛ. (1.14) J-=v- -l f- (1-15) Инварианты Римана постоянны каждый вдоль своей характеристики: /,.=0, J+=const вдоль С+ : — = U + c, (1-16) /_ =0, /_ = сол5/ вдоль С_: — = U -с. (1.17)
Криволинеиность характеристик определяется взаимодействием волн противоположных направлений. Инварианты Римана могут изменяться только при переходе от характеристики к характеристике. Если движение сжимаемой среды определено вдоль характеристик с инвариантами Римана вида (1.16) - (1.17), а любые возмущения среды распространяются только в одном направлении, то образующаяся при этом волна будет называться бегущей или простой волной.
Возмущения могут распространяться в виде волн сжатия и разрежения. Волной сжатия называется такое движение среды, когда при движении каждого элемента среды давление в нем возрастает. Когда давление падает, мы имеет дело с волной разрежения. Из-за падения скорости звука в волнах разрежения, наклоны характеристик уменьшаются и они расходятся. Если характеристики простой волны выходят из одной точки в плоскости х, t, что соответствует мгновенному достижению средой определенной скорости (в случае ударных волн выходу ударной волны на свободную поверхность), то такая волна называется центрированной волной разрежения [3].
Характеристический анализ состояний позволяет исследовать поведение твердых тел при плоском ударном сжатии при известных начальных параметрах вещества. На рис. 1 изображены диаграммы состояний нагруженного материала в координатах t-x (а) и P-U(6) для случая соударения мягкого ударника с жесткой мишенью в эйлеровых координатах
Методы регистрации газодинамических и кинематических параметров ударно-сжатой среды
В настоящее время разработано множество специальных методов регистрации физических параметров ударно-нагруженных сред. Динамические эксперименты характеризуются быстрым протеканием процессов и, в большинстве случаев, полным разрушением конструкции с образцом. Поэтому, используемые методы должны по возможности полно фиксировать происходящие процессы и изменение параметров вещества в таких условиях.
Наибольшее распространение получили электроконтактные методики, методы регистрации профилей давления и массовых скоростей свободных и контактных поверхностей. Электроконтактные датчики [1] позволяют измерять кинематические параметры ударных волн - скорость ударной волны D и массовую скорость движения частиц U. Метод основан на измерении моментов прохождения ударного фронта через реперные точки на образце. В методе вспыхивающих зазоров [1, 22] используется эффект свечения газа в промежутках между прозрачными средами, через которые ведется наблюдение за поверхностью образца. Выход ударной волны на свободную поверхность сопровождается адиабатическим сжатием газа и его разогревом. Скоростным фоторегистратором, работающем в режиме щелевой развертки, фиксируются вспышки газа в зазорах. Такие устройства регистрируют протекание процесса дискретно и не дают информацию о самом процессе.
Методы непрерывной регистрации профилей давления и скорости поверхности позволяют исследовать структуру волн сжатия и разрежения во внутренних сечениях, на свободной или контактной поверхностях образца в процессе нагружения. Манганиновые датчики наиболее часто применяются для регистрации механических напряжений или давления, как в статических, так и в динамических условиях нагружения [24, 25]. Идея метода основана на использовании высокой чувствительности удельного электросопротивления манганина к давлению при низкой чувствительности к температуре. Датчик устанавливается между двумя пластинами образца, и, если необходимо, изолируется от образца. Измерения могут проводиться при давлениях до 125 ГПа и температурах от 77 К до 600 К. В кварцевых датчиках [26] используется пьезоэлектрических эффект при сжатии монокристаллического кварца в направлении кристаллографической оси х. Инициирование разрушения при давлениях больше 4 ГПа ограничивает область применения датчика. Временное разрешение составляет несколько наносекунд. Диэлектрический датчик давления [27] представляет собой плоский конденсатор, состоящий из тонких обкладок и пленки диэлектрика между ними, которая является чувствительным элементом. Под действием ударной нагрузки пленка диэлектрика сжимается, вызывая изменение емкости конденсатора. Диэлектрический датчик обладает большей чувствительностью к изменениям напряжения по сравнению с манганиновыми датчиками. Их разрешающая способность и область применения подобны. Одним из недостатков метода является отсутствие информации по поведению диэлектрических материалов при уд арновол новом нагружении. Перечисленные методы регистрации используют калибровочные зависимости для перевода регистрируемого в ударной волне сигнала в напряжение или давление от времени, которые совместно с ограничениями по свойствам используемых материалов дают погрешность 10 %.
Более высокую точность измерений при нагружении слабыми ударными волнами дают бесконтактные методы не оказывающие никакого внешнего воздействия на исследуемый процесс: метод емкостного датчика, магнитоэлектрический метод и методы основанные на лазерной диагностике.
Емкостные датчики [28] применяются для измерения зависимости скорости свободной поверхности образца от времени - профиль свободной поверхности - как правило, при исследовании упругопластических и прочностных свойств металлических материалов. Датчик состоит из плоского электрода, который составляет с образцом измерительный конденсатор. Охранное кольцо вокруг датчика и образца поддерживает однородное электрическое поле. Размеры датчика подбираются из условия сохранения плоского ударного фронта нагружения образца и варьируются в пределе 5-25 мм в диаметре и 1-6 мм для расстояния между датчиком и образцом. Низкий уровень сигнала, сопоставимый с шумовыми помехами электронной аппаратуры, а также усреднение смещения поверхности по всей площади датчика увеличивает погрешность измерения.
Магнитоэлектрический метод [29] используется для исследования детонации конденсированных ВВ, фазовых переходов / рода, изучения волн разгрузки в диэлектрических материалах и основан на измерении ЭДС в П-образном проводнике, который устанавливается внутрь образца. Погрешность составляет 2 %, предельная разрешающая способность - 1 не на 1 см диаметра датчика. Размер чувствительного элемента датчика влияет на пространственное разрешение метода. Амплитудные характеристики измерительной аппаратуры также вносят существенный вклад в погрешность измерений.
Разработка лазеров способствовала развитию интерферометрических систем измерения скорости [1, 22], обладающих более высоким пространственно-временным разрешением и точностью измерений. Данные методы основаны на регистрации доплеровского сдвига частоты зондируемого монохроматического электромагнитного излучения, отраженного от поверхности исследуемого образца.
Подготовка монокристаллических образцов цинка к ударно-волновым экспериментам при комнатной и повышенной температурах
Эксперименты были выполнены с монокристаллами цинка чистоты 99.995%, выращенными методом направленной кристаллизации из расплава в изложницах из высокочистого графита [52]. Первоначально монокристаллы цинка представляли собой заготовки 3-4 мм толщиной и 16x100 мм в двух перпендикулярных направлениях. В процессе выращивания монокристаллические стержни были ориентированны перпендикулярно к плоскости нагружения с направлением нормали 001 . Из таких заготовок электроискровым способом вырезались образцы с поперечными размерами 10x16 мм, которые затем расщеплялись в жидком азоте по базовым плоскостях (0001) до толщины 0.2 -f- 1 мм. Изготовление и подготовка образцов осуществлялась совместно с сотрудником Института физики твердого тела РАН С.Г. Протасовой. После подготовки образцов цинка к ударно-волновым экспериментам проводилась их проверка на сохранение монокристаллической структуры, Схемы по регистрации волновых профилей при комнатной и повышенной температурах приведены на рис. 14. Ударно -волновое нагружение образцов цинка 1 в направлении кристаллической оси 001 осуществлялось ударом плоского алюминиевого ударника 2 толщиной 4 мм, разогнанного до скорости 1.45±0.05 км/с с помощью взрывной линзы 7 из прессованного флегматизированного гексогена. Ударная волна вводилась в образец через промежуточный молибденовый экран 3 толщиной 2 мм. Для обеспечения изначально ударного сжатия и исключения возможного влияния упругого предвестника молибдена на историю нагружения испытуемого образца между экраном и образцом оставлялся зазор 6 толщиной -0.02 мм. Расстояние между ударником и молибденовым экраном подбиралось из расчета полной разгрузки ударника и составляло 8 мм. Подобная постановка эксперимента позволяет генерировать в цинке давления 13 - 14 ГПа. Для обеспечения надежной регистрации зондируемая лазерным лучом поверхность образцов доводилась до матового состояния путем шлифовки на наждачной бумаге с минимальным размером зерна карбида кремния, полировки алмазным порошком до состояния "темного зеркала" и последующего травления соляной кислотой до легкого замутнения поверхности.
Измерения проводились при 20С и 320С. Нагрев образцов осуществлялся с помощью резистивных нихромовых нагревателей 9. Мощность нагревателей позволяла нагревать образцы до требуемой температуры в течении 5 минут. Температура непрерывно контролировалась термопарой хромель-алюмель 10, установленной на тыльной поверхности образца вблизи точки регистрации с точностью ±5С. Нагрев до более высокой температуры приводил к потере зондируемой поверхности образца отражательной способности.
Для определения предела текучести монокристаллов цинка проводилась серия экспериментов с постепенным изменением напряжения в образце варьированием толщин ударников и экранов, изменением материала экрана, и использования в некоторых случаях более мощного заряда взрывчатого вещества (табл. 1).
Ударная адиабата цинка в диапазоне массовых скоростей 0.5 4- 3,5 км/с аппроксимируются соотношением Us = 3.0+ 1.57м с точностью ±1%. Поскольку литературные данные о коэффициентах упругости цинка имеют довольно значительный разброс [53 - 57] были проведены дополнительные измерения продольной скорости звука на монокристаллах цинка в направлении оси 001 при комнатной температуре. Измерения проводились с помощью ультразвуковых преобразователей типа П121 (ПНЦ) 10-45 0 6x4 путем зажима образца между двумя преобразователями. Была выполнена серия измерений на образцах с различной толщиной. При дальнейшем анализе принималась измеренная таким образом скорость звука равная с0 = 2.98+0.03 км/с.
Подготовка образцов высокочистого титана к ударноволновым экспериментам при комнатной и повышенной температурах
Исследование а- ю фазового перехода проводилось на образцах высокочистого титана толщиной от 1.17 мм до 5.7 мм. Образцы вырезались из титанового стержня диаметром 20-23 мм, изготовленного методом электроннолучевой бестигельной зонной плавки [88]. Размер зерна в поперечном срезе стержня составлял -1 мм. Соударение ударника с образцом проводилось по направлению оси роста стержня. На рис. 24 приведены экспериментальные схемы по регистрации профилей скорости свободной поверхности титановых образцов при комнатной температуре при различных скоростях нагружения. Метание алюминиевых ударников толщиной 0.4 мм (а) и 0.86 мм (б) осуществлялось взрывными устройствами, позволяющими разгонять ударники до скоростей 620+50 м/с и 1200+50 м/с, соответственно.
Низкая скорость метания достигалась путем использования стальных пластин-ослабителей толщиной 20 мм. Для предотвращения откольного разрушения ударника [2] между пластиной-ослабителем и ударником прокладывалась тефлоновая пленка толщиной 100 мкм. Чтобы получить более сильный импульс сжатия, использовали слоистую схему нагружения: первый алюминиевый ударник толщиной 4 мм разгоняется до скорости 1.5 км/с прямым воздействием взрывной линзы и соударяется с медной пластиной толщиной 5 мм. На противоположной поверхности медного экрана располагается второй алюминиевый ударник, который разгоняется до скорости -1200 м/с ударной волной, выходящей из медного экрана, и соударяется с образцом. Измерения проводились при комнатной температуре и 400-465С. Нагрев и измерение температуры образцов осуществлялись так же, как это описано в экспериментах с монокристаллами цинка в Главе 3. В процессе нагревания отражение от поверхности титанового образца становится диффузионным, а интенсивность отраженного от образца света падает. Для сохранения интенсивности и, таким образом, повышения достоверности регистрируемых данных, поверхность доводилась до матового состояния шлифованием с различными смягчителями (масло, вода).
Приведенная на рис. 246 схема нагружения позволяет регистрировать движение контактной поверхности между образцом и окном. На одну из поверхностей монокристалла фторида лития толщиной 10 мм напылялся тонкий слой алюминия толщиной 100 мкм. Зазор между поверхностью напыленного окна и полированной до зеркального состояния поверхностью образца высокочистого титана по возможности сводился к минимуму.
На рис. 25 приведены профили скорости свободной поверхности образцов высокочистого титана различной толщины при комнатной и повышенной температурах испытаний. Ударная волна представляет собой упругий предвестник и пластическую волну сжатия, которая по достижении внутри образца определенного давления - давления начала фазового превращения - расщепляется на две волны, распространяющиеся затем по средам с различной плотностью. Известно [1], что а-»со фазовое превращение сопровождается уменьшением объема на -1.2 %. Давление за первой пластической ударной волной, соответствующее началу превращения, вычислялось по моменту потери устойчивости волны и составило, в среднем, 3.9 ПТа и 4.5 ГПа для комнатной и повышенной температур, соответственно. В отличие от данных, полученных при скорости метания ударника 620+50 м/с, приведенных на рис. 23 [81, 85], с увеличением интенсивности ударного сжатия увеличивается давление, при котором происходит полиморфное превращение для обеих температур испытаний. Однако, при интенсивности ударной волны 10 ГПа (скорость метания ударника 1200+50 м/с) регистрируется обратная зависимость а- ш фазового превращения от температуры: нагружение нагретых образцов приводит к понижению переходного давления.
