Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 11
1.1. Особенности деформирования и разрушения металлов в ударных волнах 11
1.2. Деформирование упруго-пластических тел в ударных волнах . 15
1.3. Явление откола. Методы определения откольнои прочности 18
1.4. Методы упрочнения металлов 23
1.5. Метод равно-канального углового прессования 29
1.6. Метод всестороннего прессования 31
Глава 2. Методы исследования 38
2.1. Методы генерации ударных волн в исследуемых образцах 38
2.2. Способы варьирования температуры образцов во взрывных экспериментах 41
2.3. Метод непрерывной регистрации профилей скорости свободной поверхности образцов с помощью лазерного интерферометра «visar» 44
Глава 3. Исследование механических свойств меди ML 51
3.1. Динамическая прочность меди ml с различной внутренней структурой 51
3.2. Влияние предварительного ударного сжатия на механические свойства металлов 53
3.3. Исследуемые образцы меди ml. Свойства. Структура 56
3.4. Экспериментальные результаты и их обсуждение 61
Глава 4. Исследование механических свойств алюминиевых сплавов аа6063т6 и д16т при ударном сжатии 72
4.1. Влияние структурных факторов на субмикросекундную прочность алюминиевых сплавов аа6063т6 и д16т 72
4.2. Алюминиевый сплав аа6063т6. Свойства. Структура 74
4.3. Алюминиевый сплав д16т. Свойства. Структура 78
4.4. Экспериментальные результаты и их обсуждение 81
4.5. Субмикросекундная прочность алюминиевого сплава д16т при нормальной и повышенных температурах 94
Глава 5. Исследование упруго-пластических и прочностных характеристик сплавов tisi.ini48.9 и ті49.4ічі5о.б 102
5.1. Физико-механические свойства сплавов на основе tini 102
5.2. Исследуемые сплавы ti51.ini48.9 и ti49.4ni50.6- свойства. Структура 113
5.3. Экспериментальные результаты и их обсуждение 118
Заключение 127
Литература 129
- Деформирование упруго-пластических тел в ударных волнах
- Метод непрерывной регистрации профилей скорости свободной поверхности образцов с помощью лазерного интерферометра «visar»
- Исследуемые образцы меди ml. Свойства. Структура
- Экспериментальные результаты и их обсуждение
Введение к работе
Настоящая диссертация посвящена экспериментальному исследованию поведения материалов с различной внутренней структурой, полученной в результате термической и механической обработки при ударном нагружении интенсивностью до ЮГПа.
Актуальность. В последние годы интенсивно разрабатываются и исследуются поликристаллические материалы с субмикронным размером зерна (диаметр зерна менее 1мкм) [1]. Интерес исследователей и практиков к этим материалам обусловлен их уникальными физико-механическими свойствами, существенно отличающимися от соответствующих свойств крупнозеренных поликристаллов. В частности, подобные поликристаллы с ультрамелким зерном обладают более высокими упруго-пластическими и прочностными характеристиками, в ряде случаев проявляют низкотемпературную и/или высокотемпературную сверхпластичность [1]. Перспективными методами создания объемных субмикрокристаллических материалов являются методы интенсивной пластической деформации (ИПД): равно-каналыюе угловое прессование (РКУП), кручение под высоким давлением, всестороннее прессование, а также методы, сочетающие ИПД с различными режимами термообработки и методами предварительного ударно-волнового деформирования [2]. Сформированная такими методами субмикрокристаллическая структура металлов, помимо малого размера зерна, характеризуется наличием большого количества микродефектов (дислокаций, дисклинаций, двойников, микропор, границ зерен). Такая дефектная структура в сочетании с малым размером зерна может внести коррективы в развитие высокоскоростной деформации субмикрокристаллических материалов по сравнению с крупнозернистыми поликристаллами. Перспектива использования субмикрокристаллических материалов с такой внутренней структурой в качестве конструкционных материалов определяет важность изучения закономерностей их деформационного поведения в условиях ударного нагружения.
Относительные вклады внутренней структуры в сопротивление деформированию могут быть выявлены экспериментально путем варьирования структуры материала и скорости деформирования [3]. Механизмы и определяющие факторы разрушения поликристаллов с размером зерна менее 1 мкм при статическом растяжении (сжатии) достаточно хорошо изучены [1], тогда как процессы квазистатическо-
5 го и, особенно, динамического сжатия и разрушения в таких материалах практически не исследованы. Ударно-волновые эксперименты дают уникальную информацию для установления фундаментальных физических механизмов высокоскоростной пластической деформации, которая развивается в строго контролируемых условиях нагружения [4]. Данные, полученные в динамических экспериментах, позволяют выявить основные механизмы и кинетические закономерности зарождения, роста и взаимодействия различного рода дефектов, зародышей новой фазы и других явлений, связанных со структурой материала. Поэтому исследование влияния внутренней структуры, полученной в результате термической обработки, интенсивной пластической деформации, предварительного ударно-волнового деформирования на высокоскоростное деформирование и разрушение металлов и сплавов при динамическом нагружении является актуальным.
Целью работы является изучение влияния внутренней структуры, сформированной в процессе термической обработки, интенсивной пластической деформации, квазиизэнтропического и ударного сжатия на упруго-пластические и прочностные характеристики субмикрокристаллических металлов и сплавов при высокоскоростной деформации и разрушении.
Объекты исследования. В данной работе исследовались образцы высокочистой технической меди Ml, алюминиевые конструкционные сплавы АА6063Т6 и Д16Т, бинарные сплавы никелида титана Ti5uNi48.9 и Ti4g.4Ni5o.6 в состоянии поставки и в состояниях, полученных после отжига, закалки, равно-канального углового и всестороннего прессования, предварительного квазиизэнтропического и ударного сжатия.
Научная новизна. Выявлено влияние внутренней структуры, сформировавшейся в результате термической обработки, интенсивной пластической деформации, предварительного квазиизэнтропического и ударного сжатия исходных металлов на их упруго-пластические и прочностные характеристики. Исследовано влияние структурных факторов на прочностные характеристики сплава Д16Т в широком диапазоне температур. Получены новые количественные данные по динамическим пределам упругости, текучести и откольной прочности меди Ml, конструкционных алюминиевых сплавов Д16Т и АА6063Т6. Впервые проведены детальные измерения структуры интенсивных волн сжатия и разрежения в материале с мар-
тенситными превращениями - сплаве никелида титана с разной элементной концентрацией в широком диапазоне температур.
Практическая значимость. Экспериментальная информация об упруго-пластических и прочностных свойствах металлов в широком диапазоне параметров нагрузки и состояния внутренней структуры является основой для понимания механизмов деформации и разрушения при субмикросекундных длительностях нагрузки, для развития физики твёрдого тела, физики прочности и пластичности, механики разрушения в области высоких скоростей деформирования. Такие данные необходимы для построения адекватных моделей динамического деформирования и разрушения материалов и входят в базу данных о поведении веществ при экстремальных условиях. Полученные результаты могут быть использованы для решения прикладных задач в Институте проблем химической физики РАН (Черноголовка), Институте проблем машиноведения РАН (Санкт-Петербург), Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова (Москва), Институте физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск), Институте структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН (Черноголовка), Институте химической физики им. Н.Н. Семенова РАН (Москва), Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН (Новосибирск), Российском федеральном ядерном центре - Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики (Саров), Российском федеральном ядерном центре - Всероссийского научно-исследовательского института технической физики (Снежинск) и др.
Метод исследований основан на возбуждении в образцах одномерных импульсов сжатия различной длительности, непрерывной регистрации в процессе на-гружения профилей скорости движения свободной поверхности образцов и их последующего анализа. Импульсы ударного сжатия генерировались с помощью специальных взрывных устройств, а волновые профили регистрировались лазерным Допплеровским измерителем VISAR. Эксперименты с алюминиевым сплавом Д16Т, а также сплавами Ti5i.iNi48.9 и Ti49.4Ni506 проведены при различных начальных температурах.
Основные положения, выносимые на зашиту:
1. Результаты исследований влияния сформировавшейся внутренней структуры образцов после термических и механических (ИПД, предварительное квазии-
7 зэнтропическое и ударное сжатие) воздействий на упруго-пластические и прочностные характеристики меди Ml и конструкционных алюминиевых сплавов АА60бЗТ6иД16Т.
Влияние температуры на динамический предел упругости и откольную прочность алюминиевого сплава Д16Т до и после термообработки в диапазоне от 20С до 470С.
Результаты исследований влияния внутренней структуры и аустенитно-мартенситного перехода на механические свойства сплавов никелида титана Ti5UNi48.9 и Ti49.4Ni5o.6 в исходном крупнозернистом состоянии и после интенсивной пластической деформации.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы.
В первой главе представлено краткое изложение особенностей упруго-пластического деформирования и разрушения металлов в условиях высокоскоростного деформирования. Описаны особенности разрушения твердых тел под действием растягивающих напряжений при отколе. Рассмотрены методы упрочнения металлов. Более подробно представлены два метода интенсивной пластической деформации: равно-канальное угловое и всестороннее прессование.
Во второй главе приводится обзор существующих методов генерации плоских ударных волн и регистрации достигаемых в них газодинамических параметров. Подробно представлены схемы экспериментальных взрывных устройств позволяющих достигать в исследуемых средах высоких скоростей деформирования в диапазоне температур от -170С до 600С. Часть главы посвящена описанию и принципу работы лазерного доплеровского измерителя скорости свободной и контактной поверхностей VISAR.
В третьей главе представлены результаты измерений прочностных характеристик образцов меди МІ в крупнокристаллическом отожженном состоянии с размером зерна ПО мкм, и субмикрокристаллическом состоянии с размером зерна 30 и 0.5 мкм, полученных после всестороннего прессования. Также исследовались образцы меди Ml с размером зерна ПО мкм, 30 мкм и 0.5 мкм, полученные после предварительного квазиизэнтропического и ударного сжатия интенсивностью менее 30 ГПа и более 32 ГПа.
В четвертой главе приведены результаты измерений динамических пределов текучести и откольной прочности конструкционных алюминиевых сплавов АА6063Т6 и Д16Т в крупнокристаллическом и субмикрокристаллическом состояниях. В проведенных экспериментах в широких пределах варьировались амплитудно-временные характеристики ударной нагрузки для исследуемых металлов. Для получения субмикрокристаллической структуры в образцах сплава АА6063Т6 использовали метод равноканального углового прессования при комнатной температуре, в результате чего была сформирована структура с размером зерна 1.2 мкм и 1.5 мкм. В образцах сплава Д16Т субмикронная структура была сформирована путем многократного всестороннего прессования при повышенных температурах. Часть образцов Д16Т подвергалась отжигу при повышенных температурах. Таюке в главе 4 представлены результаты исследования влияния температуры на динамические пределы текучести и прочности алюминиевого сплава Д16Т в состояниях сплава до и после термообработки.
В пятой главе представлены результаты исследований бинарных сплавов Ti5i.iNi48.9 и Ti49.4Ni5o.6 в исходном крупнозернистом состоянии и в состоянии после интенсивной пластической деформации в условиях высокоскоростного деформирования. Исследовалось влияние исходной внутренней структуры и влияние температуры на упруго-пластические и прочностные свойства сплавов никелида титана разного состава при ударном сжатии до 7 ГПа. Эксперименты проведены в диапазоне температур от-80С до 140С, что позволило варьировать начальное аусте-нитно-мартенситное фазовое состояние.
В заключении изложены основные результаты и выводы работы.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на Российской научно-технической конференции «Научно-технические проблемы приборостроения и машиностроения.» (Томск, 2004), Международной конференции «Харитоновские тематические научные чтения» (Саров, 2005 и 2007), Международной конференции «Shock Compression, of Condensed Matter» (США, 2005), Международной конференции «Уравнения состояния вещества» (Приэльбрусье, 2006), Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара, 2006), Международной конференции «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество» (Приэльбрусье, 2007), XVII Петербургских
9 чтениях по проблемам прочности (Санкт-Петербург, 2007), Международная конференция «Забабахинские научные чтения» (Снежинск, 2007), III Международная школа-конференция «Физическое материаловедение» «Наноматериалы технического и медицинского назначения» (Тольятти, 2007), Вторая Международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (Москва 2007), 47 Международная конференция «Актуальные проблемы прочности» (Нижний Новгород 2008), а также на научных семинарах в ИПХФ РАН.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ [5-19]. Работа выполнена в лаборатории Реологических свойств конденсированных сред при импульсных воздействиях Отдела Экстремальных Состояний Вещества Института Проблем Химической Физики РАН, Черноголовка.
10 Благодарности.
Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю Разоренову Сергею Владимировичу, за терпеливое и чуткое руководство и всевозможную поддержку; Канелю Геннадию Исааковичу и Уткину Александру Васильевичу за ценные советы и поддержку на всем протяжении работы; сотрудникам ла-
боратории Реологических свойств конденсированных сред: Ермолову Л.Г., |Скач-
кову П.В.|, Савиных А.С., Иванчихиной Г.Е., Безручко Г.С. за помощь при выпол-
нении работы; и всему коллективу Отдела Экстремальных Состояний Вещества ИПХФ РАН за доброжелательное отношение и многочисленные и плодотворные обсуждения результатов диссертации.
Автор также выражает благодарность сотрудникам Института Физики Прочности и Материаловедения СО РАН (Томск, Россия) Раточке И.В. и Кашину О.А.; сотрудникам Российского Федерального Ядерного Центра-Всероссийского Научно- Исследовательского Института Экспериментальной Физики (Саров, Россия) Игнатовой О.Н. и Попову Н.Н. (Технологическое Отделение ВНИИЭФ); сотрудникам Технологического Университета Кемница (Германия) за помощь в подготовке образцов и их металлографическое тестирование. Скрипняку В.А. (Томский Государственный Университет) за предоставленные литературные данные по сплавам TiNi и полезные дискуссии.
Деформирование упруго-пластических тел в ударных волнах
Обычно анализ мощных ударных волн в твердом теле, образование которых сопровождает интенсивные импульсные воздействия, проводится в гидродинамическом приближении. Если развиваемые давления многократно превышают предел текучести материала, то гидродинамическое приближение позволяет с хорошей точностью описывать распады разрывов, определять уравнение состояния вещест- ва, рассчитывать начальные стадии действия взрыва и высокоскоростного удара. Но даже и в этом случае упругопластические свойства среды, как показывают эксперименты, оказывают заметное влияние на режим затухания ударных волн. По мере ослабления импульса ударной нагрузки в веществе, влияние упругопластиче-сісих свойств среды на динамику ее движения становится все более существенным. - Поэтому для области низких давлений необходимо учитывать упругопластическое поведение материала.
На распространение ударных волн в твердых телах влияют упругость и прочность, а также фазовый переход [4,28,29]. Исследование воли сжатия и параметров течения между фронтами упругих и пластических волн дает информацию о высокоскоростном деформировании упруго-пластической среды и его особенностях. Рассмотрим основные закономерности упруго-пластического деформирования твердого тела в одномерной ударной волне и последующей одномерной разгрузке.
На рисунках 1 и 2 представлена иллюстрация основных закономерностей упруго-пластического деформирования твердого тела в одномерных ударных волнах. В плоских волнах сжатия и разрежения условия нагружения характеризуются одномерной деформацией [4]: єу=єг=0; ау=а2фО, в том время как в условиях стан дартных испытаний при одноостно-напряженном состоянии еу=е 0\ ay=az=0. Изменение напряженного состояния в цикле сжатие - разрежение для этого случая показано на рисунке 1. В упругой области продольная сжимаемость материала ниже объемной сжимаемости [4]. Условие текучести выполняется при \т\ = ат, или с учетом равенства (ax+ay+aJ/3-p - при \ах -р\ = а.
Продольная сжимаемость в пластической области равна объемной. Таким образом, состояние упругопластического тела в плоских волнах сжатия и разрежения отклоняются по напряжению от соответствующий гидростатической кривой p(V,T), на величину, доходящую до 2/Зат. Переход от упругого к пластическому деформированию происходит при напряжении: ax=aHEL=(rT(K/2G+2/3), где К - модуль объемного сжатия и G - модуль сдвига. Участок упругой деформации при разгрузке имеет величину ІОЦЕІ, так как в волне разрежения происходит уменьшение величины сдвиговых напряжений до нуля, затем происходит смена знака при т до предельного значения \т\ = —. После завершения цикла одномерной деформации сжатие - разгрузка в образце должна наблюдаться остаточная деформация [20]:
На рисунке 2 показана эволюция первоначального прямоугольного сжатия в идеализированном упруго-пластическом материале. Из-за различия продольных сжимаемостей в упругой и пластической областях деформирования, волны сжатия и разрежения расщепляются с выделением упругих предвестников, распространяющихся со скоростью продольных звуковых волн: cL=J(K + 4G/3)/p Скорость распространения возмущений в пластической области определяется «объемной» скоростью звука: сь=4кір
Экспериментальная регистрация волновых профилей показала, что большинство металлов [4,23] и их сплавов в согласии с основными представлениями о характере поведения упругопластической среды при ударно-волновом нагружении образуют двухволновую конфигурацию.
Фиксируется выход на поверхность образца упругого предвестника, распространяющегося со скоростью СІ, пластической ударной волны, скорость которой несколько превышает объемную скорость звука Q,, И волны разрежения. При этом упругая волна может иметь четко выраженный фронт (ударный разрыв), как например, у сталей [30,31], либо представляет собой течение типа простой волны сжатия с сильной дисперсией звука, например, как у меди [31].
Метод непрерывной регистрации профилей скорости свободной поверхности образцов с помощью лазерного интерферометра «visar»
Получение физических параметров быстропротекающих нестационарных процессов, таких как ударно-волновые, имеет характерные особенности. Измерения проводятся за очень короткое время, регистрация должна проводиться дистанционно, поскольку при взрыве и ударе нельзя избежать разрушения, а измерения должны быть как можно более полными, т.к. исследуемый образец невозможно вернуть в исходное состояние для проверки полученных результатов. Решение проблем, связанных с особенностями измерения параметров взрыва и удара, привело к разработке большого количества специальных методов, позволяющих получать необходимую информацию [89]. Измерения можно разделить на два основных типа: 1) дискретные, когда регистрируемый сигнал соответствует определенному событию в пространстве; 2) непрерывные, в котором непрерывно записывается движение заданной поверхности, либо профиль массовой скорости, либо профиль напряжения во времени. Подробное изучение кинетики волновых, релаксационных явлений, сопровождающих ударное нагружение, стало возможным благодаря развитию экспериментальных методов измерения, позволяющих получать непрерывную информацию об изменении во времени основных параметров ударных волн. Основными современными методами непрерывной регистрации ударно-волновых профилей массовой скорости являются метод емкостного датчика, магнитоэлектрический метод и лазерные Допплеровские методы [89]. В данной работе для регистрации профилей скорости свободных поверхностей нагружаемых образцов ис пользовался лазерный интерферометрический измеритель скорости [90]. Данная методика является наиболее перспективной в отношении высокого пространственно-временного разрешения и точности измерений.
В [89] проведен анализ различных типов интерферометров, применяемых в ударных экспериментах, фиксирующих смещение образца, интерферометра для регистрации скорости движения зеркально-отражающих поверхностей [91] и оптически симметричного интерферометра пригодного для работы как с зеркальными, так и с рассеивающими поверхностями.
Применение лазеров для измерений скорости вещества в экспериментах с ударными волнами основано на использовании эффекта Доплера. С помощью высокочувствительных двухлучевых интерферометров фиксируются малые (при скорости движения отражающей поверхности 100-1000 м/с сдвиг длины волны излу о чения составляет обычно 0.01 А) сдвиги длины волны зондирующего излучения при его отражении от движущейся поверхности. При этом измерения принимают дифференциальный характер, что существенно повышает их точность. Высокое пространственное разрешение лазерных методов обеспечивается тем, что зондирующее излучение лазера фокусируется на исследуемом образце в пятно диаметром -0.1 мм. Это снимает ограничения на характер движения поверхности, то есть такие методы могут использоваться при исследовании не одномерных динамических процессов. Минимальное регистрируемое время нарастания во фронте ударной волны, определяемое частотными характеристиками электронной аппаратуры, при фиксации интерференционных биений электронными фотоумножителями составляет в настоящее время 1-2 наносекунды. При использовании оптической регистрации интерференционной картины с помощью высокоскоростного электронно-оптического преобразователя удается довести временное разрешение данной методики до субнаносекундного уровня ( 0.4 не) [92]. В данной работе для регистрации профилей скорости свободных поверхностей ударно-нагруженных образцов использовался оптически симметричный двухлучевой лазерный интерферометр ("VISAR" - Velocity Interferometric System for Any Reflection - интерферометриче-ская система измерения скорости поверхности с любым отражением). На рисунке 23 приведена схема лазерного допплеровского измерителя скорости VISAR [90,93]. Фиксация изменений скорости отражающей поверхности с его помощью произво дится путем регистрации периодических изменений интенсивности (биений) при интерференции двух лучей когерентного света с близкими длинами волн.
В данном случае интерферируют лучи света, отраженного от движущейся поверхности в разные моменты времени. Если скорость отражающей поверхности изменяется, то, вследствие сдвига по времени, величина эффекта Доплера для интерферирующих лучей оказывается различной. Регистрируемые фотоприемниками биения интенсивности имеют частоту, пропорциональную ускорению отражающей поверхности к величине относительного сдвига по времени At.
Идея метода реализована в приборе следующим образом. Излучение одно-частотного лазера фокусируется на поверхности образца. Отраженный от контролируемой поверхности свет собирается линзой в квазипараллельный пучок и направляется в интерферометр. После сужения во входном телескопе пучок отраженного света расщепляется светоделителем 50/50 на два луча равной интенсивности, которые направляются в оптически симметричные "плечи" интерферометра. Одно из плеч содержит стеклянную линию задержки ЛЗ, вследствие чего время двукратного прохождения света в этом плече больше, чем в противоположном, на некоторую величину At. После отражения от концевых зеркал Зь 32 оба луча возвращаются на светоделитель, где и происходит их интерференция.
Исследуемые образцы меди ml. Свойства. Структура
В качестве примера на рисунках 26 и 27 представлены экспериментальные данные [99] полученные для образцов алюминия и меди в состоянии поставки и в состоянии после предварительного ударного сжатия различной интенсивности. Для предварительного ударного сжатия образцов использовалась методика нагружения плоскими ударными волнами, данный метод широко применялся для повышения прочности ряда металлов [99]. Увеличение плотности дислокаций с увеличением давления импульсной нагрузки в алюминии и меди, как показано на рисунке и ведет к увеличению предела текучести в 30-50 раз по сравнению с алюминием в отожженном состоянии, и росту твердости в меди. Реакция материала на высокоскоростное деформирование оказывается весьма сложной. В работе [99] отмечают, что увеличение давления нагружения в меди свыше 75 ГПа замедляет рост твердости в результате наведенных взрывом тепловых эффектов. Так в работе [95] авторы показали, что за довольно короткие времена, медь может претерпевать кратковременное падение прочности, а после выравнивания температурного поля, повышение в несколько раз первоначальной прочности, как сдвиговой, так и откольной.
В работе [3] проведены высокоскоростные измерения с титановым сплавом Ti-6%A1 полученным после предварительного ударно-волнового сжатия. Показано, что предварительное ударное сжатие привело к росту твердости материала по сравнению с исходным сплавом от 305 HV до 325 HV, в то время высокоскоростные эксперименты демонстрируют уменьшение предела текучести от 1.45 ГПа до 1.05 ГПа. В качестве примера на рисунке 30 представлена диаграмма деформирования титанового сплава, рассчитанная по результатам опытов с низкоскоростным ударом. Авторы связывают падение упругости сплава с возрастанием деформационного упрочнения, в результате чего напряжение течения в ударно-сжатом состоянии оказывается практически равным.
В работе исследовались образцы меди Ml, имеющие следующую структуру: 1) исходные образцы с размером зерна 110 мкм; 2) образцы, полученные после всестороннего прессования с размером зерна 30 мкм и 0.5 мкм; 3) образцы с размером зерна ПО мкм, 30 мкм и 0.5 мкм, подвергнутые квазиизэнтропическому и ударному сжатию. Образцы, исследуемой в данной работе меди Ml, были получены в Российском Федеральном Ядерном Центре - Всероссийского Научно-Исследователь-ского Института Экспериментальной Физики (Саров). Химический состав меди Ml представлен в таблице 2.
На рисунке 29 и 30 приведены схемы нагружения образцов меди МІ квазии-зэнтропическими и ударными волнами. Преобладающим механизмом деформации при ударно-волновом нагружении в меди является механическое двойникование. Двойники, созданные при ударном нагружении, по своему кристаллографическому строению и морфологии не отличаются чем-либо существенным от двойников, созданных обычной деформацией.
Способ импульсного нагружения, представленный на рисунках 29 и 30, позволил сохранить необходимые образцы для исследования их механических свойств при высокоскоростной деформации в различном структурном состоянии. В работе [95] представлены экспериментальные данные по статическому сжатию меди МІ в состоянии поставки и меди подвергнутой всестороннему прессованию и квазиизэнтропическому сжатию. Статическое сжатие проводили при скоростях деформирования 10"V\ В качестве примера на рисунке 31 приведены для сравнения диаграммы деформирования меди Мів исходном крупнокристаллическом состоянии до и после предварительного ударно-волнового сжатия с размером зерна ПО мкм, и в состоянии после предварительного всестороннего прессования с размером зерна 0.5 мкм. Из рисунка 31 видно, что предварительная механическая обработка (всесторонняя ковка и предварительное ударное сжатие) приводит к росту статической прочности материала в несколько раз по сравнению с исходным материалом. В случае всесторонней ковки происходит уменьшение размера зерна, в случае предварительного ударного сжатия происходит рост плотности двойников. И в том в другом случае накопление в материале большого количества дефектов структуры приводит к росту предела текучести материала.
Образцы для ударно-волновых экспериментов вырезались из заготовок меди Ml электроискровым способом и имели толщину от 0.5 мм до 10 мм. Измеренная гидростатическим взвешиванием плотность составила /?0=8.92±0.01 г/см3; измеренная продольная скорость звука С/ составила 4630м/с, измерения проводились на приборе для измерения акустических волн в твердых телах. Для исследуемых образцов были определены значения твердости по Роквеллу на установке ТН-300, стальным индентором диаметром 1.6 мм, силой 60 Кгс и выдержкой 3 с. Значения твердости представлены в таблице 3. Исследования микроструктуры медных образцов проводили на металлографическом микроскопе МИМ-9 в Российском Федеральном Ядерном Центре - Всероссийского Научно-Исследовательского Института Экспериментальной Физики. Микроструктуры исследуемых образцов приведены на рисунках 32-40.
Экспериментальные результаты и их обсуждение
Сопоставление двух волновых профилей, полученных в одинаковых условиях нагружения (рисунок 58) показывает, что регистрируемое сопротивление разрушению при ударном сжатии в продольном направлении варьируется от опыта к опыту. Вариации значений откольной прочности наблюдались и ранее [116,117] и объясняются, очевидно, неоднородностью структуры материала. Подобные эффекты можно наблюдать, если пространственное разрешение измерений достаточно для регистрации поперечных неоднородностей поля скоростей. Измеренные значения скорости усреднены по пятну диаметром примерно 0.1 мм, в которое фокусировалось лазерное излучение прибора VISAR. Кроме того, эффекты негомогенности разрушения сглаживаются по мере распространения сигнала от плоскости откола к свободной поверхности образца. Толщина откола в этих опытах составила 0.35 мм, следовательно, можно говорить о характерном размере неоднородности структуры материала, большем или примерно равным 0.1—0.3 мм. Начиная с момента времени 250 не, после выхода фронта волны на свободную поверхность, результаты двух обсуждаемых опытов практически совпадают. Непосредственное сопоставление волновых профилей на рисунке 58, полученных в условиях нагружения в направлении прокатки и в поперечном направлении демонстрирует явно меньшее сопротивление отколыюму разрушению в последнем случае. В этом отношении поведение дюралюминия Д16Т подобно ранее наблюдавшемуся для тек-стурированных сталей и сплавов [113,118-120]. При поперечной ориентации ударной нагрузки разрушение быстрее завершается, практически не наблюдается торможения откольной пластины, а величина работы разрушения существенно меньше, чем при нагружении в направлении прокатки.
На рисунке 59 показаны профили скорости свободной поверхности образцов сплава Д16Т толщиной 5 мм при ударном нагружении параллельно и перпендикулярно направлению прокатки. Из сравнения с результатами опытов с тонкими образцами видно, что влияние ориентации нагрузки относительно текстуры на динамический предел упругости уменьшается с увеличением пройденного волной рас 87 стояния. При нагружении в поперечном направлении сплав, как и ранее, демонстрирует меньшее сопротивление разрушению и более быстрое его развитие.
На рисунке 60 приведены результаты опытов с образцами толщиной 4-5 мм при отношении толщин ударника и образца, равным 1/2 и 1/5 и сумме их толщин, равной 6 мм. Увеличение общей длительности импульса ударной нагрузки привело к тому, что разрушение завершается в течение времени первой реверберации волн в откалывающейся пластине - в отличие от рисунка 58, затянутое торможение от-кольной пластины в этих опытах не наблюдается. Как и следовало ожидать, измерения демонстрируют возрастание разности скорости перед откольным импульсом с приближением зоны разрушения к поверхности образца. В опыте с толстым ударником перед откольным импульсом регистрируется пологий минимум скорости. Период осцилляции скорости поверхности после откола (0.70±0.02 мкс) мало отличается от длительности падающего импульса сжатия (0.72±0.02 мкс на соответствующем уровне скорости). Едва ли в данном случае причиной различия величин декремента скорости в опытах (кривая 1 и 3 на рисунке 59) является только искажение волнового профиля на пути от плоскости откола к свободной поверхности из-за различия скоростей распространения падающей волны и откольного импульса. Вероятно, в опыте с толстым ударником значительный вклад дает также инициирование разрушения непосредственно во время нарастания растягивающих напряжений в глубине образца. Как и в опытах с тонкими образцами, отожженный материал (кривая 2) демонстрирует меньшее сопротивление откольному разрушению. С увеличением толщины откола возрастает сглаживание возмущений из зоны разрушения, измерения принимают не столь локальный характер, а разброс получаемых значений декремента скорости уменьшается.
На рисунке 61 представлены результаты опытов с образцами исходного отожженного материала (кривая 3) (удар в направлении прокатки) и образцов, подвергнутых всестороннему прессованию отожженного (кривая 2) и неотожженного сплава Д16Т (кривая 1). На представленных волновых профилях, видно, что отожженный материал, имеет меньший динамический предел упругости, чем исходный, примерно в 3-4 раза. Крутизна пластической волны, характеризующая скорость сжатия в отожженном сплаве, в 4-5 раз выше, чем в исходном неотолокенном сплаве, что свидетельствует о его меньшей вязкости. За фронтом упругого пред 88 вестника (кривая 3) наблюдается слабая релаксация напряжений, что возможно связано с небольшим разупрочнением сплава в результате интенсивного размножения дислокаций, при этом деформация сопровождается без заметного увеличения нагрузки. На волновых профилях отожженных и неотожженных образцов, полученных (кривые 1 и 2) после ВП, отмечается слабое упрочнение. В этом случае деформация образцов сопровождается возрастанием нагрузки, но медленнее, чем на упругом участке. Ожидалось, что всестороннее прессование сплава Д16Т приведет к повышению его механических характеристик. Однако изменение внутренней структуры, а именно уменьшение размера зерен до 0.2-0.8 мкм не дает существенного прироста динамических пределов упругости и прочности по сравнению с исходными образцами. По измеренным значениям твердости (таблица 8) видно, что наибольшим значением твердости обладает исходный сплав. Проведение различных операций, связанных с дальнейшей обработкой сплава при повышенных температурах, не приводит к положительному результату. В результате отжига исходного сплава Д16Т твердость образцов уменьшилась на 30%, а динамический предел текучести уменьшился в четыре-пять раз. В работе [106] авторы экспериментально наблюдали изменение предела прочности и предела текучести алюминиевых сплавов в зависимости от начальной температуры проведения интенсивной пластической деформации.
