Разрушение и фрагментация металлов в жидкой фазе под воздействием интенсивного электронного облучения Майер, Полина Николаевна

Введение к работе

Актуальность темы. Интенсивное электронное облучение все чаще применяется для создания и исследования экстремальных состояний вещества. Это объясняется высокой степенью управляемости процесса ввода энергии, возможностью за короткое время разогревать поверхностные и/или внутренние слои вещества до температур в тысячи Кельвин. Пробег электронов с энергией 0.1^1 МэВ в металлах варьируется от десятков микрометров до нескольких миллиметров и позволяет исследовать процессы, происходящие при быстром объемном энерговыделении в металле.

Воздействие сильноточных электронных пучков инициирует в металле целый комплекс физических процессов: нагрев, плавление, распространение ударных волн, пластическую деформацию, структурные превращения, разрушение. В зоне энерговыделения пучка из-за резкого импульсного нагрева происходит плавление металла и создается область повышенного давления. При ее разгрузке происходит расширение расплава - сначала под действием давления, затем по инерции. В результате появляется область растягивающих напряжений, в которой расплав переходит в метастабильное состояние. Расширение металла по инерции приводит к разрушению метастабильного состояния посредством кавитации, то есть путем образования и роста полостей, заполненных парами металла, и переходу вещества в двухфазное состояние. Дальнейшее объединение пор вызывает разрыв расплава и фрагментацию его на капли. Кавитация происходит вблизи области максимума энерговыделения, оставшаяся часть металла однофазная, жидкая или твердая.

Экспериментальные исследования взаимодействия интенсивных потоков электронов с веществом остаются трудоемкими и дорогостоящими, а протекающие процессы являются быстрыми и сложными для регистрации. Поэтому теоретические методы и численное моделирование играют важную роль в интерпретации и прогнозировании результатов экспериментов. Теоретическое описание объемного разрушения металлического расплава, образующегося под воздействием сильноточного электронного пучка, представляет собой необходимый элемент полной теоретической модели динамики облучаемого металла, что определяет актуальность исследования.

Степень разработанности темы. К настоящему времени экспериментально и теоретически подробно исследовано хрупкое и вязкое разрушение твердых тел, как в стационарных, так и в динамических условиях [1,2]. В процессах, связанных с интенсивным облучением металлов, важным оказывается вопрос динамического разрушения расплава металла, который недостаточно проработан. Динамическое разрушение жидкости представляет собой сложное явление, сопряженное с механическим воздействием и с фазовыми переходами [3]. При его исследовании используются широкодиапазонные уравнения состояния, включающие описание метастабильной области, которые в настоящее время разработаны для многих металлов [4]. Разработаны модели многофазных сред [5], позволяющие описывать движение жидкости с дисперсной фазой в виде паров вещества, или пара с жидкими каплями. Одним из методов исследования динамического разрушения жидкости является молекулярно-динамическое (МД) моделирование [6], позволяющее определить необходимые кинетические параметры макроскопических моделей разрушения, но МД не позволяет исследовать макроскопические объемы вещества, область применимости ограничена размером исследуемого образца порядка микрометра и рассматриваемыми временами порядка нескольких наносекунд. Несмотря на существенное количество экспериментальных и теоретических работ, посвященных динамическому разрушению металлов, полного теоретического исследования объемного разрушения и фрагментации металлического расплава под действием сильноточного электронного облучения нет.

Цель работы состоит в теоретическом исследовании течения, разрушения и фрагментации металлического расплава, образующегося в результате облучения металла сильноточным электронным пучком.

Задачи диссертационной работы:

1. Разработка континуальной модели разрушения и фрагментации металла в жидкой фазе - описание двухфазного состояния жидкость-пар, полученного в результате кавитации в метастабильном расплаве, и эволюции двухфазной среды в неравновесных условиях.

2. Исследование зависимости откольной прочности жидкого металла и распределения по размерам капель, образующихся при его разрушении, от скорости деформации растяжения и температуры среды.

3. Проведение численных исследований процессов плавления, кавитации и разрушения металла под воздействием интенсивного электронного облучения.

4. Исследование зависимости толщины фрагментированного слоя и размеров образующихся капель расплава от длительности импульса облучения и энергии быстрых электронов пучка.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является металл, подвергаемый воздействию сильноточного пучка электронов. Предметом исследования являются вызываемые таким воздействием процессы в металле: распространение волн сжатия и разрежения, плавление, разрушение расплава посредством кавитации, эволюция двухфазного состояния жидкость-пар, фрагментация расплава на капли.

Методы исследования. Проведенные в рамках работы исследования выполнялись численно на основе оригинальной математической модели, при разработке которой использовались стандартные подходы и представления теоретической физики. Модель включает уравнения механики сплошной среды, а также уравнения, описывающие образование и рост элементов новой фазы, обмен массой и энергией между фазами. Для описания твердофазной части мишени использовалась дислокационная модель пластичности и модель твердофазного разрушения, анализировалось плавление металла. Действие электронного пучка учитывалось объемным источником энерговыделений. При численном решении системы уравнений использовался метод разделения по физическим процессам.

Научная новизна. В работе впервые разработана математическая модель и проведены численные исследования разрушения и фрагментации металлов в жидкой фазе в зоне энерговыделения сильноточных электронных пучков. Впервые теоретически исследована зависимость ширины зоны кавитации и размеров образующихся частиц от режима облучения. Впервые для широкого диапазона скоростей деформации и температур определены откольная прочность алюминия, меди и никеля и характерный размер фрагментов, образующихся в результате разрушения расплавов данных металлов.

Теоретическая и практическая значимость результатов работы заключается в возможности использования разработанной модели для более подробного описания динамики металла под действием сильноточного электронного облучения, лазерного облучения или другого интенсивного воздействия, приводящего к плавлению металла, кавитации и разрушению расплава. Непосредственное практическое значение имеют рассчитанные в работе зависимости размеров получаемых при фрагментации расплава капель металла от режимов облучения. Эти зависимости указывают, что для получения ультрадисперсных частиц субмикронных размеров следует использовать импульсы электронного облучения с длительностью порядка единиц наносекунд, с энергией электронов порядка 100^300 кэВ и плотностью вложенной энергии порядка 50^150 Дж/см . Полученные результаты могут использоваться в Институте сильноточной электроники СО РАН, Институте электрофизики УрО РАН, Объединенном институте высоких температур РАН, Институте химической физики РАН, РФЯЦ ВНИИТФ им. акад. Забабахина.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

4. 1. Предложена математическая модель, описывающая образование расплава в металле при сильноточном электронном облучении, кавитацию и фрагментацию расплава на капли.

   2. Показано, что диаметры капель, образовавшихся при фрагментации расплава, уменьшаются с увеличением температуры расплава и с увеличением скорости деформации: характерный размер капель меняется от единиц нанометров при скорости деформации порядка 10⁹ с^-1 до десятков микрометров при скорости деформации порядка 10⁵ с^-1.

   3. Показано, что с уменьшением энергии электронов пучка диаметры образующихся капель уменьшаются. При энергии электронов порядка 1 МэВ характерный размер капель составляет порядка единиц микрометров, а при энергии электронов 100 кэВ - сотни нанометров.

   4. Показано, что при длительности импульса облучения t много большей характерного времени механической разгрузки нагреваемого слоя Ro/c_s (где R₀ - пробег электронов, c_s - скорость звука в металле при нормальных условиях) кавитация не происходит, растягивающие напряжения разгружаются, не достигнув откольной прочности.

   5. Показано, что зона кавитации располагается на некоторой глубине от облучаемой поверхности, в результате образуется отколотый слой жидкого металла. Развитие неустойчивости Рихтмайера-Мешкова приводит к фрагментации этого слоя на капли с размерами порядка толщины слоя.

   Достоверность результатов работы обеспечивается построением замкнутых самосогласованных моделей изучаемых процессов, использованием стандартных подходов теоретической физики, сравнением полученных результатов с экспериментальными данными и молекулярно- динамическими расчетами по откольной прочности расплава алюминия и никеля, с экспериментальными данными по глубине лунки абляции, образующейся при сильноточном электронном облучении, и по характерному размеру структур на дне лунки абляции.

   Апробация работы. Результаты работы докладывались на «10^th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows» (Томск, 2010); IV Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (Москва, 2011); 11-й Международной конференции «Забабахинские научные чтения» (Снежинск, 2012); «XXVII International Conference - Interaction of Intensive Energy Fluxes with Matter» (Эльбрус, 2012); «XXVIII International Conference - Equations of State for Matter» (Эльбрус, 2013); 18-й Зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 2013).

   Публикации и личный вклад. По теме диссертации опубликовано 4 статьи в журналах, включённых в перечень ВАК и приравненных к ним, в том числе 1 статья в иностранном журнале, 6 статей в сборниках докладов международных конференций и 9 тезисов докладов всероссийских и международных конференций. Личный вклад соискателя состоит в разработке модели фрагментации металла в жидкой фазе при сильноточном электронном облучении, написании программы для численного решения уравнений кинетики неравновесного фазового перехода жидкость-пар, проведении численных исследований, анализе и обобщении результатов, подготовке материалов для публикации.

   Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка публикаций автора из 19 печатных работ, списка литературы из 126 источников, одного приложения; изложена на 164 страницах, включая приложение; содержит 5 таблиц и 52 рисунка.

   Похожие диссертации на Разрушение и фрагментация металлов в жидкой фазе под воздействием интенсивного электронного облучения

   

   Механизмы неустойчивостей в металлах при воздействии каскадообразующего облученияХомяков, Олег Владимирович

   Радиационное повреждение и модифицирование структуры и свойств оксидных диэлектриков при воздействии больших доз облученияАбдулкадырова, Изида Хамедовна

   

   Структурные и текстурные изменения под воздействием ионно-плазменного облучения в сплавах на основе Zr по данным рентгеновского исследованияГрехов Максим Михайлович

   Исследование воздействия электронного и гамма-облучения на свойства керамических ВТСП материалов на основе висмута и иттрияШешолко, Владимир Константинович

   

   Кинетика радиационного дефектообразования при воздействии быстрых нейтронов на металлы в зависимости от параметров облучения протасов Владислав Иванович

   Закономерности деформации, разрушения и люминесценции ионных кристаллов, подвергнутых -облучениюНовиков, Геннадий Викторович

   

   Изучение методом ОЖЕ-спектроскопии влияния облучения и температуры растяжения на элементный состав поверхностей разрушения сталей Ильин Аркадий Михайлович

   

   Уравнения состояния жидкой фазы металлов при высоких давлениях и температурах Левашов Павел Ремирович

   Влияние электронной структуры вблизи уравнения Ферми на кинетические характеристики и стойкость фаз переходных металлов и их сплавовЕвлашина, Марина Леонидовна

   

   Теплофизические свойства непереходных, переходных и редкоземельных металлов в жидкой фазе и в зоне плавления Салихов Темур Паттахович