Экспериментальное исследование влияния температуры на термодинамические и механические свойства металлов и сплавов при ударноволновом нагружении тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

На правах рукописи

БЕЗРУЧКО Галина Сергеевна

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ПРИ УДАРНОВОЛНОВОМ

НАГРУЖЕНИИ

1 01.04.17 - Химическая физика, в том числе физика горения и взрыва

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Черноголовка 2006

Работа выполнена в Институте проблем химической физики РАН.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, Разоренов Сергей Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Фунтиков Александр Иосифович

кандидат физико-математических наук, Долгобородов Александр Юрьевич

Ведущая организация:

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск

Защита диссертации состоится « ЛЯ » 2006 г.

в -¿Сч. Ор мин. на заседании диссертационного совета Д 002.082.01 при Институте проблем химической физики РАН по адресу: 142432, Московская обл., г. Черноголовка, пр-т академика Семенов? 1, ИПХФ РАН, корпус 1/2, актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПХФ РАН.

Автореферат разослан «1}ь> *ЯН 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук

Юданов А. А.

Общая характеристика работы

Актуальность. Основной целью исследований свойств материалов в условиях ударно-волнового нагружения является обеспечение прогнозируемое™ 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 динамических 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.

дых 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].

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 суб-

Высокие давления и температуры при ударном сжатии твер-

В настоящее время в экспериментах с ударными волнами

микросекундной прочности материалов на разрыв - так называемой откольной 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 в изучении свойств веществ в экстремальных условиях открываются с введением температуры в качестве регулируемого параметра ударно-волновых испытаний материалов. При этом первоочередной задачей для такого рода исследований при повышенных и пониженных температурах является определение влияния температуры на термодинамические и кинетические параметры полиморфных превращений, а также на упругопластические и прочностные характеристики материалов при микросекундных длительностях нагрузки, что актуально и важно для физики прочности, материаловедения, физики твердого тела.

Цель работы и метод исследований. Целью данной работы является экспериментальное исследование влияния температуры на зависимости 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 "П6А14\/ и "0622223, и конструкционной стали 1.2311 различной твердости. 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.

Научная новизна. Предложен метод измерения сжимаемости вещества в области растяжения, с помощью которого впервые по-

лучены 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 упругопластиче-ских ударных волн без расщепления на упругий предвестник и пластическую волну сжатия в монокристаллах цинка ориентации <001 >. Определено значение динамического предела упругости в монокристаллах данной ориентации, которое составляет 14-15 ГПа.

Обнаружено сильное влияние температуры на скорость превращения а—>со 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, что в субмикросекунд-ном временном диапазоне это превращение необратимо.

Показано, что величина динамического предела упругости титановых сплавов "П6А14У и "П6-22228 и конструкционной стали 1.2311 различной твердости в диапазоне температур -170°С - 600°С 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 построе-

ния моделей деформирования и разрушения твердых тел при расчетах динамического воздействия на материалы и конструкции. Предложенные методы регистрации параметров ударно-сжатой среды при криогенных температурах позволяют расширить область построения определяющих соотношений и уравнений состояния.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод измерения продольной скорости звука в металлах при ударном сжатии и растяжении.

2. Результаты измерения продольной скорости звука в монокристаллах цинка ориентации <001 > при сжатии и последующем растяжении при комнатной и повышенной температурах.

3. Результаты измерения упругопластических свойств монокристаллов цинка данной ориентации при комнатной температуре.

4. Исследование влияния температуры на превращение а->ш в высокочистом титане.

5. Методика регистрации газодинамических параметров охлажденных образцов лазерным допплеровским измерителем скорости VISAR.

6. Результаты измерений динамического предела упругости и отколь-ной прочности титановых сплавов TÍ6AI4V и TÍ62222S и конструкционной стали 1.2311 в широком диапазоне температур.

Публикации и апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались 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. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе 11 статей и 7 тезисов докладов на конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа объемом 123 страницы состоит из введения, пяти глав и заключения, содержащего основные результаты работы. В работе содержится 37 рисунков и 7 таблиц, список литературы включает 107 библиографических ссылок.

Содержание работы.

Во введении дана общая характеристика диссертационной работы, обоснована актуальность темы, сформулированы цели работы, описана структура диссертации, перечислены полученные в диссертации новые результаты, их практическая ценность, представлены основные положения выносимые на защиту.

В первой главе кратко приводятся основные сведения из механики сплошной среды, необходимые для понимания поставленной задачи и интерпретации полученных результатов. Описывается метод характеристик, основанный на анализе t-x - и P-U диаграмм состояний, позволяющий подробно рассматривать волновые взаимодействия внутри образца при ударно-волновом нагружении. Приведены определяющие соотношения для материалов, проявляющих упругопластиче-ские свойства в условиях одномерного сжатия, а также претерпевающих полиморфные превращения. Рассмотрен процесс откольного разрушения материалов при динамическом сжатии.

Вторая глава посвящена обзору существующих методов генерации ударных волн, позволяющих создавать динамические давления в исследуемых веществах до сотен гигапаскалей, и основных методов регистрации газодинамических параметров среды с различными свойствами при одноосном сжатии.

%

s"

n _£-—жидкий азот

Y

«visar

Рисунок 1. Схема регистрации профилей скорости свободной поверхности при криогенных температурах.

1 - образец, 2 - ударник, 3 - пластина-ослабитель, 4 - полиэтиленовая пленка, 5 - коническая взрывная линза, 6 - база полета 4 мм, 7 - емкость для жидкого азота, 8 - теплоизо-лятор, 9 - силикагель, 10 -оконное стекло, 11 - термопара.

В данной работе ударно-волновое нагружение исследуемых образцов осуществлялось посредством соударения с ними алюминиевых пластин, метаемых со скоростями 600 - 1900 м/с с помощью спе-

/

циальных взрывных устройств [1], принципы метания и параметры которых подробно описаны во второй главе. Варьирование материалов метаемых пластин, их толщины и конструкций взрывных устройств позволяет генерировать в образцах импульсы сжатия различной интенсивности и длительности.

Регистрация параметров ударносжатой среды проводилась лазерным допплеровским интерферометрическим измерителем скорости ' свободной и контактной поверхностей VISAR (Velocity Interferometric System for Any Reflection), обладающим высоким пространственным (-0.1 мм) и временным разрешением (-1 не). Данный метод регистрации позволяет с высокой точностью проводить измерения при комнатной и повышенных [1] температурах образцов. Ранее при криогенных температурах регистрация параметров среды проводились только с использованием манганинового [2] или емкостного [3] датчиков, которые имеют ограниченный диапазон применения. В данной работе для исследования свойств ударносжатой среды при отрицательных температурах разработана методика регистрации газодинамических пара-

25

25 50 75 100 125 150 175 200

TapMoaneHipiriecm« и^мтпрТХА

10

10

стандартной граомюеим

6

175

25 50 75 100 125 150 1 75 20$

О 25 50 75 100 125 150 175 200 225

Время, с

Температура С

Рисунок 2. Кривая охлаждения образца (а) и зависимости термо-Э.Д.С. хромель-алюмелевой термопары от температуры (б). Стрелками указаны соответствующие кривым 1 и 2 оси, точка А - температура контакта "образец - жидкий азот", точка В - показание термопары в жидком азоте, точка С - температура образца с учетом поправки температур.

метров охлажденных образцов с помощью лазерного допплеровского измерителя скорости VISAR, схема которой приведена на рис. 1. На-гружение образцов осуществлялось ударником 2, метаемым с помощью плосковолнового генератора 5. Образцы охлаждались жидким азотом, который заливался в специальную герметичную, теплоизолированную емкость 7 и находился в контакте с образцом. Основной проблемой, возникающей при использовании данного метода, является потеря отражающей способности поверхности образца при охлаждении, которая была разрешена посредством устранения влаги из канала лазерного луча с помощью силикагеля. Температура образцов измерялась с помощью стандартной хромель-алюмелевой термопары 11. На рис. 2а представлена кривая охлаждения образца титанового сплава TÍ6AI4V. В момент соударения на тыльной поверхности образца фиксировалась температура -160°С. В процессе охлаждения образца возможна кристаллизация влаги из воздуха на поверхности "окна" 10. Для предотвращения потери прозрачности оконного стекла, оно покрывалось этиловым спиртом или этиленгликолем. На рисунке 26 приведены известные зависимости термо-Э.Д.С. от температуры для используемой термопары в положительной (кривая 1) и отрицательной (кривая 2)

областях температур. При отрицательных температурах зависимость имеет нелинейный вид, вследствие чего, регистрируемые значения температуры в данной области не соответствуют ее истинным значениям. Нелинейность прибора учитывалась поправкой, определяемой как разница между температурой на поверхности соударения образца и показанием термопары непосредственно в жидком азоте. При интенсивности ударного сжатия ~5 ГПа для титанового сплава "П6-22-225 (рис. 1) разность составила ~10°С. С учетом поправки значение температуры на поверхности образца до соударения равно ~ -170°С (точка С, рис.2б). Температура зондируемой поверхности равна температуре жидкого азота (-196°С), а измеряемая температура поверхности соударения -170°С. Зная эти значения и толщины образцов и откольной пластины можно посчитать температуру материала в зоне откола. Таким образом, предлагаемая методика позволяет с высокой точностью и пространственно-временным разрешением регистрировать профили скорости свободной поверхности при охлаждении испытуемых образцов практически до температуры жидкого азота.

Третья глава посвящена исследованию сжимаемости монокристаллического цинка при ударном сжатии и разгрузке при комнатной и повышенной температурах.

Предложенный в данной работе метод измерения скорости распространения возмущений в упругой ударносжатой среде - продольной

скорости звука - основан на анализе

--. волновых взаимодействий внутри

I_I А) ударник

! ф | образца по * - х - и Р - У - диа-

I I Мо экран

I п граммам состоянии с использова-

к Ъп образец

Ту|ЗДК нием данных, полученных из экспе-

риментальных профилей скорости

Рисунок 3. Схема опытов с свободной поверхности и ударной монокристаллами цинка ориен- ,

тации <001>. адиабаты.

а

б

ш

&

к £

К

Расстояние

№оооваяс№рсхль

Рисунок 4. Диаграммы 1-х (а) и Р-11 (б) волновых взаимодействий внутри образца в субстанциональных координатах Лагранжа.

Основная идея метода заключается в следующем. На рис. 3

приведена схема экспериментов по измерению сжимаемости материала. Нагружение образца осуществляется через более жесткий молибденовый экран с помощью алюминиевого ударника. Ударная волна 8 на рис. 4а в образце и ударнике отражается от свободной поверхности в виде центрированной волны разрежения (С. - характеристики). Отражение центрированной волны разрежения от контактной границы К с более жестким экраном происходит с сохранением знака нагрузки, то есть в виде волны разрежения (С+ - характеристики), в которой давление материала сначала падает до нулевого значения, а затем уходит в область отрицательных растягивающих напряжений. В силу большего динамического импеданса экран быстрее образца достигает своей максимальной скорости, соответствующей полной разгрузке (т. п на рис. 4а), в результате, между экраном и образцом образуется свободная поверхность. Волна разрежения отражается от свободной поверхности в виде волны сжатия. Выход волны разрежения, а затем волны сжатия на свободную поверхность на волновом профиле отражается как отрицательный выброс скорости свободной поверхности. Отрицательные максимальные растягивающие напряжения достигаются в т. к

-20°С 0 298 мм

: ----- 322сС. 0 369 мм

........V

200 400 600 800 1000 1200 1400

Время/толщина, нс/мм

Рисунок 5. Профили скорости свободной поверхности образцов цинка с ориентацией <001 > при нормальной и повышенной температурах.

(рис. 4а) пересечения хвостовой характеристики центрированной волны разрежения и характеристики, несущей состояние полной разгрузки жесткого экрана в переотраженной волне разрежения.

С помощью квазиакустического приближения [1] и простых геометрических соотношений, используя экспериментальные данные, получен-

ные из волновых профилей, восстанавливается ^-диаграмма состояний и определяется лагранжева продольная скорость звука в ударно-сжатом, а затем растянутом материале. Данный метод позволяет достаточно точно определить сжимаемость материала в упругой области деформирования. Распространение пластической волны сжатия значительно усложняет анализ волновых взаимодействий на ^-диаграмме состояний и увеличивает ошибку вычислений. По этой причине для измерений в качестве объекта исследований был выбран монокристаллический цинк с направлением нагружения вдоль главной оси кристалла <001 > перпендикулярно его базисной плоскости. Согласно обзору упругих свойств цинка [4] в выбранном направлении нагружения, межатомные связи между плоскостями более слабые, чем в поперечных направлениях, то есть сжимаемость в данном направлении больше. Вклад в тензор напряжений, состоящий из шаровой части (гидростатического сжатия) и девиаторных напряжений происходит в основном за счет объемного сжатия. Девиаторные напряжения нарастают очень медленно, вследствие чего предел упругости высокий.

Давление ударного сжатия в исследуемом монокристалличе-

ском цинковом образце, нагружаемым через молибденовый экран, составляло 13 ГПа. Толщины образца и экрана подбирались таким образом, чтобы внутри образца генерировались отрицательные растягивающие напряжения. На рис. 5 приведены профили скорости свободной поверхности монокристаллического цинка при комнатной и повышенной до 322°С температурах и отмечены времена, отнесенные к толщине образца, и у, необходимые для дальнейшего анализа диаграмм состояний Полученные с помощью данного метода скорости распространения возмущений в упруго-сжатой среде при сжатии ссж и при последующем растяжении ср, а также напряжения максимального сжатия асж, отрицательные максимально возможные растягивающие напряжения стрт и полученные в эксперименте стрэ приведены в табл.1. При анализе высокотемпературных данных учитывалось влияние температуры на плотность' скорость звука и упругие модули образца и ударника.

Таблица 1.

т, °с Со, км/с Ь ССж, КМ/С Осж, ГПа Ср, км/с Стрт, ГПа Стрэ, ГПа

20 2 99 1.93 4.83 132 2 53 -2.31 -2 0

322 2 86 1.74 4 5 12.1 2 43 -2.3 -1 88

Для проверки корректности интерпретации результатов измерений было проведено численное моделирование экспериментов с использованием полученной зависимости скорости звука от давления. Сравнение расчетного и экспериментального профилей при комнатной и повышенной температурах дает хорошее совпадение результатов в диапазоне напряжений, реализуемых в образце вплоть до разрушения. Максимальные растягивающие напряжения для монокристалла цинка данной ориентации составляют —8.3 ГПа. Эту величину можно рассматривать как оценку предельно возможной прочности материала. Следовательно, в эксперименте по ударному сжатию монокристалли-

ческого цинка в направлении главной оси кристалла были реализованы растягивающие напряжения, достигающие 25% от предельно возможных.

На рис. 6 приведены изэнтропы продольного и объемного сжатия, построенные с помощью полученных зависимостей скоростей звука от давления. При напряжении за фронтом ударной волны 13 ГПа расхождение изэнтроп составляет 1.2 ГПа, что близко по значению величине девиаторных напряжений на фронте упругого предвестника при сжатии в перпендикулярном направлении. В области отрицательных растягивающих напряжений изэнтропы пересекаются при давлении -34 ГПа. Равенство величин напряжений при продольном и объемном сжатии в условиях одномерной деформации равносильно обращению в нуль сдвиговой жесткости тела, что означает потерю устойчивости кристаллической решетки цинка при растягивающих напряжениях такого порядка.

Поскольку область применения метода ограничена пластичностью материала, важно знать, до каких напряжений ударного сжатия возможно его использование применительно к монокристаллам цинка ориентации <001 >. Ранее было получено [5], что, по крайней мере, до

Рисунок 6. Изэнтропы продольного и объемного сжатия монокристаллов цинка.

Рисунок 7. Профили скорости свободной поверхности образцов цинка, нормализованные к толщине образцов.

давлений ударного сжатия 21 ГПа в монокристаллическом цинке в направлении сжатия вдоль главной оси кристалла деформирование происходит в упругой области без выделения упругого предвестника. В данной работе было получено, что при давлении в волне сжатия выше 14-15 ГПа на волновых профилях (рис. 7) выделяется упругий предвестник со следующей за ней областью относительно плавного нарастания параметров. Такое поведение материала, ранее не наблюдавшееся, соответствует упругопластическому деформированию в стационарных волнах сжатия. Продольная и объемная скорости звука в цинке направления <001 > близки по значению, вследствие чего не наблюдалось четкого расщепления на упругий предвестник и пластическую волну сжатия. Одновременно с размыванием ударной волны изменяется и часть профиля скорости свободной поверхности, соответствующая второй волне сжатия, которая формируется в результате переотражения на границе с экраном. С ростом давления ударного сжатия крутизна пластической части ударной волны увеличивается, а ее длительность сокращается практически до предела измерений при давлении ударного сжатия -46.5 ГПа. Сокращение ширины пластической ударной волны с увеличением ее интенсивности является обычным для твердых тел.

Точность измерения скорости звука в монокристаллах цинка при комнатной и повышенной до 320°С температуре образцов в диапазоне давлений от +13 до -2 ГПа по данным проведенных экспериментов составляет -1%.

В четвертой главе представлены результаты исследования влияния температуры на а-хо фазовый переход в высокочистом титане при давлении в волне сжатия 10 ГПа.

Высокочистый титан при нормальном давлении и комнатной температуре имеет гексагональную плотноупакованную кристаллическую a-структуру. При повышении давления происходит а-»со фазовый

переход, который имеет характер изотермического мартенситного превращения. Величина давления начала превращения и скорость его протекания сильно зависят от исходной структуры материала, чистоты, способа обработки, условий проведения эксперимента. В следствии чего, существует значительный разброс экспериментальных данных по давлению начала превращения в титане при ударно-волновом нагружении - от 6 ГПа до 12 ГПа. Согласно данным работы [6] при интенсивности сжатия - 5 ГПа с ростом температуры образцов от 15°С до 465°С наблюдалось увеличение давления начала фазового перехода от 2 ГПа до 2.7 ГПа, что качественно соответствует фазовой диаграмме титана [7]. При статическом сжатии превращение а->ю протекает с большим гистерезисом, поэтому после снятия напряжений ю-фаза сохраняется в структуре.

В данной работе исследовались образцы высокочистого титана толщиной от 1.17 мм до 5.70 мм, которые вырезались из титанового стержня диаметром 20-23 мм, изготовленного методом электроннолучевой бестигельной зонной плавки. Размер зерна в поперечном срезе стержня составлял ~1 мм. На рис. 8 приведена схема экспериментов с высокочистым титаном. Нагружение образца 1 осуществлялось алюминиевым ударником 2 толщиной 0.86 мм, разогнанным с помощью специального взрывного устройства 3 через экран 4 до скорости 1200±50 м/с. Эксперименты проводились при комнатной и повышенной до 400°С температурах. На рис. 9 приведены профили скорости свободной поверхности образцов высокочистого титана различной толщины при комнатной (а) и повышенной (б) температурах испытаний. Ударная волна представляет собой упругий предвестник и пластиче-

/

-visar

Рисунок 8. Экспериментальная схема регистрации профилей скорости свободной поверхности.

скую волну сжатия, которая по достижении внутри образца определенного давления - давления начала фазового превращения - расщепляется на две волны, распространяющиеся затем по средам с различной плотностью. Давление за первой пластической ударной волной, соответствующее началу превращения, вычислялось по моменту потери устойчивости волны и составило, в среднем, 3.9 ГПа и 4.5 ГПа для комнатной и повышенной температур, соответственно. В отличии от данных, полученных при интенсивности ударного сжатия 5 ГПа [6], при давлении в ударной волны -10 ГПа регистрируется обратная зависимость давления а->со фазового превращения от температуры: нагру-жение нагретых образцов приводит к понижению переходного давления. На рис. 96 приведены волновые профили, полученные на более толстых титановых образцах при комнатной и повышенной температурах. Как и для более тонких образцов, наблюдается уменьшение давления начала превращения от 4.27 ГПа до 3.27 ГПа при повышении температуры до 400°С. Однако для более толстых образцов перестройка кристаллической структуры начинается при меньших напряжениях сжатия в ударной волне.

Вторая пластическая волна сжатия на волновом профиле со-

Рисунок 9. Профили скорости свободной поверхности для тонких (а) и толстых (6) образцов при скорости метания ударника 1200±50 м/с при температурах 20°С (пунктир) и 400°С (сплошные линии).

стоит из двух участков - участка превращения, на котором из-за перестройки кристаллической решетки градиент скорости поверхности уменьшается, и участка пластического сжатия новой фазы, сопровождающегося увеличением градиента скорости. Время сжатия во второй волне соответствует времени превращения, но по измеренным волновым профилям нельзя точно установить момент полного перехода вещества в более плотную со-фазу. Подобное поведение связано с тем, что из-за малого объемного уменьшения (около 1.2 %) скорости распространения возмущений по пластически сжатому материалу до и после превращения отличаются незначительно, и волны не успевают разойтись на достаточное для регистрации классического фазового перехода расстояние. Ширина фронта второй пластической волны увеличивается почти в четыре раза на высокотемпературых профилях, а скорость деформирования составляет 1.97-106 с'1 и 6.48-106 с'1 для тонких и 1.21-106 с'1 и 4.48-106 с'1 для толстых образцов при комнатной и повышенной температурах, соответственно. На рис. 10 приведены суммированные результаты измерения давления начала превращения в зависимости от пройденного волной сжатия расстояния (толщины образца), полученные в [6] и измеренные в данной работе.

2 в и

5 ь

I.

о.

|з

I 2

7 «

1 '

1 0

2 О 1 2 3 4 5 с! Расстояние, мм

Рисунок 10. Экспериментальные данные по давлению начала превращения в зависимости от пройденного расстояния.

Рисунок 11. Профили скорости контактной (скорость ударника 620±50 м/с и 1200±50 м/с) и свободной поверхностей (скорость ударника 1200±50 м/с).

о

. /1 ф Же, \лл та

ОКУ» р Д400*С, 104 ГПа

А 4М*С, б ГЛа

О □

2**С. 9 ГЛа

Известно, что а - фаза в титане является неустойчивой и при снятии напряжений в статических условиях происходит обратный переход в устойчивую а-фазу. При протекании обратного фазового перехода при разгрузке на волновых профилях должны проявляться какие-либо признаки, отражающие этот процесс, например, формирование ударной волны разрежения. В экспериментальной постановке, приведенной на рис. 8, из-за откольного разрушения образца при растяжении нельзя проследить полную разгрузку образцов. Для ее регистрации были проведены эксперименты по измерению скорости контактной поверхности образца и прозрачного окна из фтористого лития по той же схеме нагружения что и на рис. 8. На рис. 11 приведены профили скорости контактной поверхности титановых образцов и окна из фтористого лития для скоростей метания ударника 620±50 м/с и 1200+50 м/с и профиль скорости свободной поверхности при скорости ударника 1200±50 м/с. Толщина образцов в этих экспериментах была одинаковой. На профилях скорости контактной поверхности четко видна почти полная разгрузка образцов, однако не видно явных признаков обратного фазового перехода. На рис. 12 представлены результаты опытов с образцами, ориентированными, в отличие от предыдущих, вдоль оси

роста стержня. Стержень, из которого вырезались образцы, представлял собой крупнозе-ренный поликристалл. Свойства поликристалла не зависят от направления ориентации, поскольку усредняются по всем зернам. Толщина образцов в этих опытах была наибольшей и составляла -5.70

я

мм. Данные эксперименты вы-

ь

0

1 800

с 600

•г

400

200

«rfc, 3.704мм ___ _ хп__

•J т»—► / -- 947 ПЪ ^

»"С. 5 723 мм'

в 0 100 200 300 400 S00 600

Время, не

Рисунок 12. Профили скорости свободной поверхности образцов вырезанных поперечно оси роста кристалла.

полнялись в предположении, что давление начала а-ко фазового перехода будет ниже, чем для более тонких образцов. Однако, было обнаружено, что давление начала превращения и при комнатной, и при повышенной температурах значительно выше, чем в предыдущих экспериментах с образцами, нагружаемыми в перпендикулярном направлении, и составляет 5.47 ГПа при 20°С и 6.30 ГПа при 400°С. С ростом начальной температуры образцов давление начала фазового перехода возрастает, так же как и в экспериментах с интенсивностью ударного сжатия в титановых образцах 5 ГПа. Подобное влияние интенсивности ударного сжатия и температуры на давление начала превращения и кинетику перехода объясняется анизотропией свойств исходного титанового стержня.

Таким образом, обнаружена сильная зависимость от температуры и необычная эволюция ударной волны сжатия в области а-ко фазового превращения в высокочистом титане при давлении ударного сжатия 10 ГПа при начальных температурах образцов от 20°С до 400°С. Показано, что данный фазовый переход в микросекундном диапазоне является необратимым.

Пятая глава посвящена исследованию влияния температуры на упругопластические и прочностные свойства титановых сплавов и конструкционной стали различной твердости в диапазоне температур от -170°С до 620°С.

Титановые образцы представляли собой пластины толщиной 10 мм и 2.5 мм, и плотностью 4.53 г/см3 и 4.42 г/см3 для сплавов Т1-6-22-22Б и Т|'6А1_4\/, соответственно. Исследования проводились при температурах образцов от -170°С до 620°С для сплава Т1-6-22-225 и температурах -170°С и 20°С для сплава Т'|6А!_4\/. Структура сплава "П-6-22-228 после термообработки представляет собой глобулы а-фазы, окруженные пластинами аир фаз.

13 I г

со

1 1 о

■

я

■ 8 А • • •

о О

А &

О

о

о

■ титан Т6-22-228,2 им

• титаи Т**.22-228,10 им

А тмтмТЯАде, 10 мм

00 05 1 0 1 5 20 25 30 Время, мкс

0 200 400 600 Температура, °С

Рисунок 13. Экспериментальные Рисунок 14. Зависимости динами-

профили скорости свободной по- ческого предела упругости (откры-

верхности образцов титанового тые значки) и откольной прочности

сплава ~П6-22-228. (закрытые значки) от температуры.

Образцы конструкционной стали 1.2311 имели различную твердость по Рокуэллу НИС = 30, 40, 46 и плотность 7.95 г/см3. Толщина стальных образцов варьировалась в пределах 1.83 — 1.94 мм. Эксперименты со стальными образцами проводилось при комнатной, пониженных (~ -140^ -160°С) и повышенной (100°С, 200°С) температурах.

Нагружение образцов осуществлялось алюминиевыми пластинами, разогнанными до скорости 600-700 м/с с помощью специальных взрывных устройств по схеме, предложенной на рис. 1 для криогенных температур. Для стальных образцов толщина ударников составляла 0.4 мм, для титановых образцов - 2 или 0.4 мм в зависимости от толщины образцов. Регистрация волновых профилей в опытах с охлажденными образцам проводилась с помощью методики, предложенной в данной работе в главе 2. Нагрев образцов осуществлялся также, как и в экспериментах с цинком (глава 3).

На рис. 13 приведены экспериментальные профили скорости свободной поверхности образцов титанового сплава Т16-22-225 в диапазоне температур от -170°С до 620°С. На всех волновых профилях наблюдается расщепление ударной волны на упругий предвестник и пластическую волну сжатия, время нарастания параметров в которой

Рисунок 15. Профили скорости

о

00 02 04 06 Время мкс

1 0

независимо от начальной температуры нагружения остается постоянным и составляет -125 не. Влияние температуры сказывается на амплитуде перегиба скорости на волновом профиле, соответствующем динамическому пределу упругости. С увеличени-

свободной поверхности конструк- ем начальной температуры об-

давление упругопластического перехода понижается. Скорость изменения параметров в переходной области, связанной с деформационным упрочнением, не зависит от температуры для данных экспериментов. Изменение температуры также не сказывается на скорости деформирования в пластической волне сжатия, что говорит о слабом влиянии температуры на процесс пластического деформирования.

На рис. 14 приведены зависимости динамического предела упругости и откольной прочности для титановых сплавов от температуры. Динамический предел упругости уменьшается с ростом температуры, а откольная прочность остается постоянной в пределах погрешности измерений.

На рис. 15 приведены экспериментальные профили скорости свободной поверхности образцов конструкционной стали различной твердости при комнатной температуре нагружения образцов. Соотношение толщины ударника и образца в проведенных экспериментах было такое, что в последнем генерировался прямоугольный импульс сжатия. Скорости деформирования, как в пластической волне сжатия, так и при последующей разгрузке для всех температур нагружения и для всех твердостей изменяются в узком диапазоне от 105 с'1 до ЗЮ5 с'1.

ционной стали 1.2311 различной твердости при температуре нагружения 20°С.

разцов в исследуемом диапазоне для обоих титановых сплавов

Е «»

к

I"

|зс

„--А.....▲

и НЯе-Ж • Нйс=41 - А- нЯс=46

100 0 100 200 Температура. °С

200 100 0 100 200 ЭОС

Температура, "С

Рисунок 16. Зависимости динамического предела упругости (а) и от-кольной прочности (б) конструкционной стали 1.2311 от начальной температуры образцов.

На рис. 16 приведены результаты измерения динамического предела упругости (а) и откольной прочности (б) при фиксированных температурах образцов. Подобно титановым сплавам, динамический предел упругости с ростом температуры падает независимо от твердости. От-кольная прочность для стали с твердостью 30 и 41 возрастает, а для стали с твердостью 46 остается постоянной при положительных и резко падает при отрицательных температурах.

Расчет динамического предела упругости и откольной прочности для титановых сплавов и стали проводился с использованием значений упругих модулей, скоростей звука и плотностей, соответствующих температуре образца в момент нагружения. Однако, анализ влияния температуры на характеристики материала показал, что изменение температуры образцов в указанных пределах слабо сказывается на их упругопластических свойствах.

Таким образом, для образцов титановых сплавов и конструкционной стали различной твердости получены зависимости всех измеряемых характеристик от температуры материалов. Механизм деформирования и разрушения данных материалов во всем интервале температур сохраняет свою термофлуктуационную природу.

Основные результаты работы

1. Предложен и обоснован новый метод измерения скорости звука в конденсированных веществах в области отрицательных давлений, основанный на регистрации процесса переотражения волны разрежения на границе с более жестким материалом. С помощью данного метода

- Впервые измерена скорость звука в монокристаллах цинка при температуре образцов 20°С и 320°С в диапазоне давлений от +13 до -2 ГПа, нижняя граница которого составляет -25% от напряжений идеальной прочности цинка.

- Показано, что при данной интенсивности сжатия скорость звука в области растяжения хорошо согласуются с экстраполяцией зависимости в область отрицательных давлений, что важно для анализа откольных явлений.

- Обнаружено, что изэнтропы продольного и объемного сжатия цинка при повышении давления расходятся и при давлении 13 ГПа расхождение по реализуемым напряжениям составляет 1.2 ГПа, что близко к значению девиаторных напряжений при сжатии в перпендикулярном направлении.

2. Получено значение динамического предела упругости монокристаллов цинка при сжатии в направлении оси <001 > кристалла при комнатной температуре, величина которого составляет 14-15 ГПа. Показано, что при ударном сжатии в данном направлении переход от упругого к пластическому деформированию происходит без образования двухволновой структуры.

3. Проведены измерения а->ы фазового превращения в высокочистом титане при давлении ударного сжатия 10 ГПа при начальных температурах образцов от 20°С до 400°С. Обнаружена сильная зависимость превращения от температуры и необычная эволюция ударной волны сжатия в области превращения. Показано, что дан-

22

ный фазовый переход в микросекундном диапазоне является необратимым.

4 Разработана новая методика регистрации газодинамических параметров охлажденных образцов лазерным допплеровским измерителем скорости VISAR.

5. Проведены измерения динамического предела упругости и отколь-ной прочности титановых сплавов TÍ6AI4V и TÍ6-2222S и конструкционной стали 1.2311 различной твердости в диапазоне температур -170°С - +600°С. Показано, что во всем интервале температур механизм деформирования и разрушения исследованных высокопрочных сплавов сохраняет свою термофлуктуационную природу.

Основное содержание диссертации изложено в следующих

публикациях:

1. Разоренов C.B., Канель Г.И., Безручко Г.С., Крюгер П., Майер Л. Прочностные и упругопластические свойства титана TÎ-6-22-22S в интервале температур -170°С - 620°С при динамическом нагруже-нии. // В сб.: Физика экстремальных состояний вещества-2001. -Изд-во ИПХФ РАН, Черноголовка, 2001. - С. 54-55.

2. Безручко Г.С., Разоренов C.B. Регистрация волновых профилей лазерным интерферометром при криогенных температурах. // В сб.: Физика экстремальных состояний вещества-2001. - Изд-во ИПХФ РАН, Черноголовка, 2001. - С. 55-58.

3. Безручко Г.С., Савиных A.C., Разоренов C.B. Прочностные и упруго-пластические свойства металлов в ударных волнах при криогенных температурах. // Тезисы докладов Шестой научной конференции молодых ученых и специалистов ОИЯИ, г. Дубна, 4-9 февраля 2002 г.

4. L.Kruger, G.I.Kanel, S.V.Razorenov, L.Meyer, and G.S.Bezrouchko. Yield and strength properties of the Ti-6-22-22S alloy over a wide strain rate and temperature range. In: Shock compression of condensed matter - 2001. - Melville, New York, 2002. - P. 1327-1330.

5. Безручко Г.С., Канель Г.И., Разоренов C.B. Измерение скорости звука в цинке при ударном сжатии и растяжении. // В сб.: Физика экстремальных состояний вещества-2003. - Изд-во ИПХФ РАН, Черноголовка, 2003. - С.90-92.

6. Безручко Г.С., Канель Г.И., Разоренов C.B. Сжимаемость монокристаллов цинка в области положительных и отрицательных давле-

ний. И Теплофизика высоких температур. - 2004, - Т. 42, № 2. - С. 1-7.

7. Безручко Г.С., Канель Г.И., Разоренов С.В. Упругость и предел текучести монокристаллов цинка при нормальной и повышенной температурах. // В сб.: Физика экстремальных состояний вещест-ва-2004. - Изд-во ИПХФ РАН, Черноголовка, 2004. - С 60-61

8. Безручко Г.С., Канель Г.И., Разоренов С.В. О пределе текучести монокристаллов цинка при одномерном сжатии в плоской ударной волне. // Техническая физика. - 2005, № 5-6. - С. 92-95.

9. Bezruchko G.S., Kanel G.I. Razorenov S.V. Measurements of sound speed in zinc in the negative pressure region. In: Shock compression of condensed matter - 2003, Melville, New York, 2004, - P. 29 - 32.

10. Безручко Г.С., Разоренов C.B., Канель Г.И. Влияние температуры на а->о> фазовый переход в титане. // В сб.: Физика экстремальных состояний вещества-2004. - Изд-во ИПХФ РАН, Черноголовка, 2004.-С. 71-73.

11. Bezruchko G.S., Razorenov S.V., Kanel G.I., Fortov V.E. Influence of temperature upon the a->to transition in titanium. In: Shock compression of condensed matter - 2005, Melville, New York (2006 Printed).

Список литературы

1. Канель Г.И., Разоренов С.В., Уткин А.В., Фортов В.Е.. Ударно-волновые явления в конденсированных средах. 1996. "Янус-К". 402 с.

2. Ананьин А.В , Дремин А.Н., Канель Г.И., Першин С В.. Фазовые переходы в ударно-сжатых нитриде бора и графите при различных начальных температурах. - В сб.: "Детонация. Критические явления. Физико-химические превращения в ударных волнах.", Черноголовка, 1978, стр. 111-115.

3. Молодец A.M., Дремин А.Н. Непрерывная регистрация скорости свободной поверхности при откольном разрушении железа в области криогенных температур. // Физика горения и взрыва. - 1986. №2.-С. 110-114.

4. Ledbetter Н М. Elastic properties of zinc- a compilation and a review. // J.Phys.Chem.Ref.Data. - 1977, V. 6, № 4. P.1181.

5. Богач A.A., Канель Г.И., Разоренов С.В., Уткин А.В. Протасова С.Г. Сурсаева В.Г. Сопротивление ударно-волновому деформированию и разрушению монокристаллов цинка при повышенных температурах. // Физика твердого тела. - 1998. Т. 40. № 10. - С. 1849 -1854.

6. Razorenov S.V., Utkin A.V., Kanel G.I., Fortov V.E., Yarunichev A.S., Baumung K., and Karow H.U. Response of high-purity titanium to high-pressure impulsive loading. II High Pressure Research. - 1995. V. 13, № 6, PP. 367-376.

7. Белов С.П., Брун М.Я., Глазунов С.Г. и др. Титановые сплавы. Металловедение титана и его сплавов. М.: Металлургия, 1992, - 352 с.

БЕЗРУЧКО Галина Сергеевна

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ПРИ УДАРНОВОЛНОВОМ НАГРУЖЕНИИ

Подписано в печать 21 12 2005 г Формат 60x90 1/16 Бумага офсетная Печать офсетная Гарнитура «Ариал» Объем 1,5 п л Заказ 291 Тираж 100

Отпечатано в типографии ИПХФ РАН 142432 Московская область, г Черноголовка, пр-т академика Семенова, 5

163 2

Введение.

Глава 1. Волновые взаимодействия при ударном сжатии металлов.

1.1 Одномерное сжатие конденсированных сред.

1.2 Метод характеристик для волны сжатия и разрежения.

1.3 Взаимодействие волн сжатия и разрежения в упругом и упруго-пластическом теле.

1.4 Разрушение металлов при ударноволновом нагружении.

1.5 Полиморфные превращения в твердых телах при ударно-волновом нагружении.

1.5.1 Распространение волн сжатия и разрежения при фазовом переходе. Ударная волна разрежения.

1.5.2 Кинетика фазового перехода.

Глава 2. Экспериментальные методы исследования ударно-волновых процессов в металлах.

2.1 Современные методы генерации плоских ударных волн.

2.2 Методы регистрации газодинамических и кинематических параметров ударно-сжатой среды.

2.3 Методика регистрации газодинамических параметров охлажденных образцов лазерным допплеровским измерителем скорости VISAR.

2.4 Методы измерения скорости звука в ударносжатой среде.

Глава 3. Поведение монокристаллов цинка ориентации <001> в волнах сжатия и разрежения.

3.1 Метод измерения ударной сжимаемости монокристаллического цинка в направлении оси кристалла <001>.

3.2 Подготовка монокристаллических образцов цинка к ударно-волновым экспериментам при комнатной и повышенной температурах.

3.3 Сжимаемость монокристаллов цинка в направлении <001>.

3.3.1 Измерение продольной скорости звука в цинке при комнатной и повышенной температурах.

3.3.2 Численное моделирование процесса переотражения волн в цинке с учетом экспериментальных данных.

3.4 Определение предела упругости монокристаллов цинка в направлении нагружения вдоль главной оси кристалла <001>.

Глава 4. Полиморфный а-»со переход в высокочистом титане при ударно-волновом нагружении.

4.1 Введение и литературный обзор.

4.2 Подготовка образцов высокочистого титана к ударноволновым экспериментам при комнатной и повышенной температурах.

4.3 Исследование влияния температуры образцов на ос—»со фазовый переход в высокочистом титане.

Глава 5. Упругопластические и прочностные свойства титановых сплавов и конструкционной стали в широком диапазоне температур.96 5.1. Введение и литературный обзор.

5.2 Подготовка образцов титановых сплавов Ti-6-22-22S и Ti6AL4V и конструкционной стали 1.2311 к ударноволновому нагружению при комнатной и повышенной температурах.

5.3 Упруго-пластические и прочностные свойства титановых сплавов и конструкционной стали.

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 материалов на разрыв - так называемой откольной 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 "ПбАМУ и 14622228, 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-»со 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 Т16А14У и Т16-22-228 и конструкционной стали 1.2311 различной твердости в диапазоне температур -170°С - 600°С 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 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:

1. Метод измерения продольной скорости звука в металлах при ударном сжатии и растяжении.

2. Результаты измерения продольной скорости звука в монокристаллах цинка ориентации <001> при сжатии и последующем растяжении при комнатной и повышенной температурах.

3. Результаты измерения упругопластических свойств монокристаллов цинка данной ориентации при комнатной температуре.

4. Исследование влияния температуры на превращение а->со в высокочистом титане.

5. Методика регистрации газодинамических параметров образцов лазерным допплеровским измерителем скорости VISAR.

6. Результаты измерений динамического предела упругости и откольной прочности титановых сплавов TÍ6A14V и TÍ62222S 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.

Основные результаты и выводы:

1. Предложен и обоснован новый метод измерения скорости звука в конденсированных веществах в области отрицательных давлений, основанный на регистрации процесса переотражения волны разрежения на границе с более жестким материалом. С помощью данного метода

- Впервые измерены скорости звука в монокристаллах цинка при нормальной и повышенной до 320°С температуре образцов в диапазоне давлений от +13 до -2 ГПа, нижняя граница которого составляет ~25% от напряжений идеальной прочности цинка.

- Показано, что при данной интенсивности сжатия скорости звука в области растяжения хорошо согласуются с экстраполяцией зависимости в область отрицательных давлений, что важно для анализа откольных явлений.

- Обнаружено, что изэнтропы продольного и объемного сжатия цинка при повышении давления расходятся и при давлении 13 ГПа расхождение по реализуемым напряжениям составляет 1.2 ГПа, что близко к значению девиаторных напряжений при сжатии в перпендикулярном направлении.

2. Получено значение динамического предела упругости монокристалла цинка при сжатии в направлении оси <001> кристалла при комнатной температуре, величина которого составляет 14-15 ГПа. Показано, что при ударном сжатии в направлении <001> переход от упругого к пластическому деформированию происходит без образования двухволновой структуры.

3. Проведены измерения а—»со фазового превращения в высокочистом титане при давлении ударного сжатия 10 ГПа при начальных температурах образцов от 20°С до 400°С. Обнаружена сильная зависимость превращения от температуры и необычная эволюция ударной волны сжатия в области превращения при различных интенсивностях ударного сжатия. Показано, что данный фазовый переход в субмикросекундном диапазоне является необратимым.

4. Разработана новая методика регистрации газодинамических параметров охлажденных образцов лазерным допплеровским измерителем скорости VISAR.

5. Проведены измерения динамического предела упругости и откольной прочности титановых сплавов TÍ6A14V и TÍ6-2222S и конструкционной стали 1.2311 различной твердости в диапазоне температур -170°С * +600°С. Показано, что во всем интервале температур механизм деформирования и разрушения исследованных высокопрочных сплавов сохраняет свою термофлуктуационную природу.

113

1. Ударно-волновые явления в конденсированных средах. / Г.И. Канель, C.B. Разоренов, A.B. Уткин, В.Е. Фортов. М.: Янус-К, 1996. - 402 с.

2. Кардиролы П., Кнопфель Г. Физика высоких плотностей энергии. М.: Мир, 1974.-484 с.

3. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М.: Наука, 1966. 688 с.

4. Жерноклетов М.В. Методы исследования свойств материалов при интенсивных динамических нагрузках. Саров: ФГПУ РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2003.-403 с.

5. Канель Г.И., Разоренов C.B. Ударноволновое нагружение металлов. Движение поверхности образца. Черноголовка, 1989. - С. 101 (Препринт отделения ИХФ АН СССР).

6. Разрушение и вязкость свинца при отколе. / В.К. Голубев, С.А. Новиков, Ю.С. Соболев и др. // ПМТФ. 1982. - № 6. - С. 108 -114.

7. Curran D.R., Seaman L., Shockey D.A. Dynamic failure of solids. // Phys. Reports. 1987. - V. 147. - № 5-6. - P. 253-388.

8. Иванов А.И., Новиков С.А. Об ударных волнах разрежения в железе и стали. // ЖЭТФ. 1960. - Т. 40. - С. 1880.

9. Ильин A.A. Механизм и кинетика фазовых и структурных превращений в титановых сплавах. М.: Наука, 1994. С. 304.

10. Ю.Кареева И.Е. Материалы с памятью формы.: Реферат. М.: 2000. Режим доступа: (http://www.gos-referat.ru/index3.phtml?id=15006\

11. Жерноклетов М.В. Методы исследования свойств материалов при интенсивных динамических нагрузках. Саров: ФГПУ РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2003.-403 с.

12. Степанов Г.В. Поведение конструкционных материалов в упругопластических волнах нагрузки. Киев: Наукова думка, 1978.

13. Parry D.J., Griffiths L.J.A. A compact gas gun for materials testing. // J. Phys.E (Sei. Instrum.). 1979. - V.12. - № 1. - P.56 - 58.

14. Леконт К. Высокоскоростное метание. // В сб.: Физика быстропротекающих процессов. М.: Мир, -1971. - Т. 2. - С.247.

15. Баллистические установки и их применение в экспериментальных исследованиях. / H.A. Златин, А.П. Красильщиков, Г.И. Мишин и др. М.: Наука, 1974.

16. Альтшулер Л.В. Применение ударных волн в физике высоких давлений. // УФН. 1965. - Т.85. - №2. - С.197 - 258.

17. Взрывные лабораторные устройства для исследования сжатия веществ в ударных волнах. / Л.В. Альтшулер, Р.Ф. Трунин, К.К. Крупников и др. // УФН. 1996. - Т.166. - №5. - С. 575 - 581.

18. Молодец A.M., Дремин А.Н. Непрерывная регистрация скорости свободной поверхности при откольном разрушении железа в области криогенных температур. // ФГВ. № 2. - 1986. - С. 110-114.

19. Экспериментальное изучение динамики плотной плазмы металлов при высоких концентрациях энергии. / Б.Л. Глушак, А.П. Жарков, М.В. Жерноклетов и др. // ЖЭТФ. 1989. - Т. 96. - вып. 4. - С. 1301 - 1318.

20. Анисимов С.И., Прохоров A.M., Фортов В.Е. Применение мощных лазеров для исследования вещества при сверхвысоких давлениях. // УФН. 1984. - Т. 142. - № 3. - С. 395.

21. Graham R.A., Asay J.R. Measurement of wave profiles in shock-loaded solids. // High Temperatures High Pressures. - 1978. - V.10. - P. 355 - 390.

22. Мещеряков Ю.И., Диваков A.K. Интерференционный метод регистрации скоростной неоднородности частиц в упруго-пластических волнах нагрузки в твердых телах. JL, 1989. (Препринт Ленингр. фил. института маш-ния АН СССР: №25).

23. Fuller J.A., Price J.H. Electrical conductivity of manganin and iron at high pressure. // Nature. 1962. - V.193. - № 4812. - P. 262.

24. Канель Г.И. Применение манганиновых датчиков для измерения давления ударного сжатия конденсированных сред. ВИНИТИ, № 477-74 Деп. 1974.

25. Мержанов А.Г., Барзыкин В.В., Гонтковская В.Т. Задача об очаговом тепловом взрыве. //ДАН СССР. 1963. Т. 148. С. 380 388.

26. Степанов Г.В. Упруго-пластическое деформирование и разрушение материалов при импульсном нагружении. Киев: Наукова думка, 1991. С. 288

27. Иванов А.Г., Новиков С.А. Метод емкостного датчика для регистрации мгновенной скорости движущей поверхности. // Приборы и техника эксперим. 1963. - Т. 7. - № 1. - С. 135 - 138.

28. Детонационные волны в конденсированных средах. / Дремин А.Н., Савров С.Д., Трофимов B.C. и др. М.: Наука, 1970.

29. Вагкег L.M., Hollenbach R.E. Laser interferometer for measuring high velocities of any reflecting surface. // J.Appl.Phys. 1972. - V.43. - P. 4669.

30. Asay J.R., Barker L.M. Interferometric measurement of shock-induced internal particle velocity and spatial variations of particle velocity. // J.Appl.Phys. -1974. V.45. - № 6. - P. 2540.

31. Spall fracture properties of aluminum and magnesium at high temperatures. / G.I. Kanel, S.V. Razorenov, A.A. Bogatch et al. // J.Appl.Phys. 1996, - V.79. -№11.-P. 8310-8317.

32. Безручко Г.С., Разоренов С.В. Регистрация волновых профилей лазерным интерферометром при криогенных температурах. / Ред. Фортов В.Е., Ефремов В.П. и др. // В сб: Физика экстремальных состояний вещества-2001. -Черноголовка, 2001. - С. 55-58.

33. Преображенский В. П. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергия, 1978. С. 704.

34. Изэнтропическая сжимаемость алюминия, меди, свинца и железа при высоких давлениях. / JI.B. Альтшулер, С.Б. Кормер, М.И. Бражник и др. // ЖЭТФ. 1960. - Т. 38. - вып. 4. - С. 1061 - 1073.

35. McQeen R.G., Hopson J.W., Fritz L.N. Optical technique for determining rarefaction wave velocities at very high pressure. // Rev. Sci. Instrum. 1982. -V. 53. - № 2. - P. 245-250.

36. Альтшулер JI.B., Павловский M.H., Дракин В.П. Особенности фазовых превращений в ударных волнах сжатия и разгрузки. // ЖЭТФ. 1967. - Т. 52. - вып. 2.-С.400-408.

37. Павловский М.Н. Измерение скорости звука в ударно-сжатом кварците, доломите, ангидрите, хлористом натрии, парафине, плексигласе, полиэтилене и фторопласте 4. // ПМТФ. - 1976. - № 5. - С. 136 - 139.

38. Spall Strength of Molybdenum Single Crystals. / G.I. Kanel, S.V. Razorenov, A.V. Utkin et al. // J. Appl. Phys. 1993. - V. 74. - № 12. - P. 7162-7165.

39. Spallations near the ultimate strength of solids. In.: High-Pressure Science and Technology. / G.I. Kanel, S.V. Razorenov, A.V. Utkin et al. In: Shock compression of condensed matter 1993. AIP Conference Proceedings. - 1994. -V. 309.-P. 1043.

40. Superheating of confined Pb thin films. / L. Zhang, Z.H. Jin, L.H. Zhang et al. // Phys. Rev. Letters. 2000. - V.85. - №7 - P.1484-1487.

41. Boness D.A., Brown J.M. Bulk superheating of solid KBr and CsBr with shock wave. // Phys. Rev. Letters. 1993. - V.71. - №18 - P.2931 - 2934.

42. Stern E.A., Zhang Ke. Local premelting about impurities. // Phys. Rev. Letters. 1988. - V.60. - №18 - P. 1872- 1875.

43. Синько Г.В., Смирнов H.A. Расчет из первых принципов уравнения состояния и упругих констант алюминия в области отрицательных давлений // Письма в ЖЭТФ. 2002. - Т. 75. - № 4. - С. 217.

44. Безручко Г.С., Канель Г.И., Разоренов С.В. Измерение скорости звука в цинке при ударном сжатии и растяжении. / Ред. Фортов В.Е., Ефремов В.П. и др. // В сб.: Физика экстремальных состояний вещества-2003. -Черноголовка, 2003. - С. 90-92.

45. Безручко Г.С., Канель Г.И., Разоренов С.В. Сжимаемость монокристаллов цинка в области положительных и отрицательных давлений.// ТВТ. 2004. -Т. 42. - № 2. - С. 1 -7.

46. Bezruchko G.S., Kanel G.I. Razorenov S.V. Measurements of sound speed in zinc in the negative pressure region. In: Shock compression of condensed matter 2003, Melville, New York, 2004, P. 29 - 32.

47. Канель Г.И. Искажение волновых профилей при отколе в упругопластическом теле. // ПМТФ. 2001. - Т. 42. - № 2. - С. 194.

48. Ledbetter Н.М. Elastic properties of zinc: a compilation and a review. // J.Phys.Chem.Ref.Data. 1977. - V 6. - № 4. - P.l 181.

49. Сопротивление ударно-волновому деформированию и разрушению монокристаллов цинка при повышенных температурах. / А.А. Богач, Г.И. Канель, С.В. Разоренов и др. // Физика твердого тела. 1998. - Т. 40. - № 10.-С. 1849- 1854.

50. Миграция границ наклона в цинке. / А.В. Антонов, Ч.В. Копецкий, JI.C. Швиндлерман и др. // ДАН СССР. Техническая физика. 1973. - Т. 213. -№2.-С. 318-320.

51. Shock-wave compressions of twenty-seven metals equations of state of metals. J. Walsh M., M.H. Rice, R.G. McQueen et al. // Phys. Rev. 1957. - V. 108. - P. 196.

52. Альтшулер Jl.B., Баканова A.A., Трунин Р.Ф. Ударные адиабаты и нулевые изотермы семи металлов при высоких давлениях. // ЖЭТФ. -1962.-Т.42.-С. 91.

53. McQueen R.G., Marsh S. P. Equation of state for nineteen metallic elements.// J. Appl. Phys. 1960. - V. 31. - P. 1253.

54. Волков K.B., Сибелев B.A. Исследование ударного сжатия жидкого олова при давлениях до 100 ГПа и начальных температурах ЗЮ.475°С. // ПМТФ. 1984. - № 1. - С. 125.

55. LASL Shock Hugoniot Data. // Ed.: Marsh S. P. Berkeley. Univ.: California Press, 1980.

56. Duffy T.S. and Ahrens T. Free surface velocity profiles in molybdenum shock compressed at 1400 degrees C. In: High Pressure Science and Technology -1993. AIP Conference Proceedings. USA, 1994. - V. 309. - № 2. - P. 10791082.

57. Физические величины. Справочник. / Под ред. Григорьев И.С., Мейлихова Е.З. М: Энергоатомиздат, 1991. 1231 с.

58. Безручко Г.С., Канель Г.И., Разоренов С.В. Упругость и предел текучести монокристаллов цинка при нормальной и повышенной температурах. // В сб.: Физика экстремальных состояний вещества-2004. Черноголовка, 2004.-С. 60-61

59. Безручко Г.С., Канель Г.И., Разоренов С.В. О пределе текучести монокристаллов цинка при одномерном сжатии в плоской ударной волне. // Техническая физика. 2005. - № 5-6. - С. 92 - 95

60. М.Я. Брун, С.Г. Глазунов и др. М.: Металлургия, 1992. 352 с. 67.1mpurities block the a to со martensitic transformation in titanium. / Hennig R.G., Trinkle D.R., Bouchet J. et al. // Nature materials. - 2005. - V. 4. - № 2. -P. 129- 133.

61. Sikka S.K., Vohra Y.K., Chidambaram R. Omega phase in materials. // Prog. Mater. Sci. 1982. - V. 27. - P. 245 - 310.

62. Jayaraman A., Klement W., Kennedy G.C. Solid-solid transition in titanium and zirconium at high pressure. // Phys. Rev. 1963. - V. 131. - P. 644 - 649.

63. Akahama Y., Kawamura H., Bihan T. L. A new distorted body-centered cubic phase of titanium ( delta -Ti) at pressures up to 220 GPa // Journal of Physics: Condensed Matter. 2002. V.14, № 44. - P. 10583-10588.

64. Crystal structure of group IV a metal at ultrahigh pressure. / H. Xia, G. Parthasarathy, H. Luo, Y. Vohra and et al. // Phys. Rev. B. 1990. - V.42. - P. 6736 - 6738.

65. Кутсар А.Р., Павловский М.Н., Комиссаров В.В. Наблюдение двухволновой конфигурации ударной волны в титане. // Письма в ЖТФ. -1982. Т.35. - № 3. - С.91 - 94.

66. Кисилев А.Н., Фальков А.А. Фазовое превращение в титане в ударных волнах. // ФГВ. 1982. - Т.1. - С.115 -119.

67. Gray G.T III. Shock recovery experiments: an assessment. In: Shock Compression of Condensed Matter 1989. Proceedings of the American Physical Society Topical Conference. Melville, New York, 1990. - P. 407-414.

68. Vohra Y., Spencer P. Novel y-phase of titanium metal at megabar pressures. // Phys. Rev. Lett. 2001. - V. 86. - P. 3068 -3071.

69. Vohra Y.K. Kinetics of phase transformations in Ti, Zr and Hf under static and dynamic pressures. // J. Nucl. Mat. 1978. - V. 75. - № 2. - P. 288-293.

70. Titanium metal at high pressure: Synchrotron experiments and ab initio calculation. / Ahuja Rajeev, L. Dubrovinsky, N. Dubrovinskaia et al. // Phys. Rev. Letters B. 2004. - V. 69. - №18.

71. Extended x-ray absorption fine structure measurements of laser shocks in Ti and V and phase transformation in Ti / B. Yaakobi, D.D. Meyerhofer, T.R. Boehly et al. // Physics of Plasmas. 2004. V. 11. - № 5. - P. 2688-2695.

72. Men M.J., Papaconstantopoulos D.A. Tight-binding study of high-pressure phase transitions in titanium: alpha to omega and beyond. // Europhys. Lett. -2002. V. 60. - № 2. - P. 248 - 254.

73. Response of high-purity titanium to high-pressure impulsive loading. / S.V. Razorenov, A.V. Utkin, G.I. Kanel et al. // High Pressure Research. 1995. - V. 13.-№6.-P. 367-376.

74. Impact response of titanium alloys at elevated temperatures. / G.I. Kanel, S.V. Razorenov, E.B. Zaretsky et al. // Journal de Physique IV. 2003. - 110, 839844.

75. McQueen R.G., Marsh S.P., et al. // In: High-Velocity Impact Phenomena. New York. Academic Press. 1970. P.293.

76. Термическое "разупрочнение" и "упрочнение" титана и его сплава при высоких скоростях ударно-волнового деформирования. / Г.И. Канель, С.В. Разоренов, Е.Б. Зарецкий и др. // Физика твердого тела. 2003. - Т. 45. -вып. 4.-С. 625-629.

77. Альфа омега превращение в титане и цирконии при сдвиговой деформации под давлением. / Зильберштейн В.А., Кристинина Н.П. и др. // ФММ. - 1975. - Т.39. - С.445 - 447.

78. Greff C.W., Trinkle D.R., Albers R.C. Shock-induced а-ю transition in titanium. // Journal of Applied Physics. 2001. - V. 90. - № 5. - P. 2221-2226.

79. Glebovsky V.G., Semenov V.N., Lomeyko V.V. Unit for electron-beam zone melting of refractory materials. // J.Less-Common Metals. 1986. - V.117. -P.385 - 389.

80. Response of high-purity titanium to high-pressure impulsive loading. / S.V. Razorenov, A.V. Utkin, G.I. Kanel et al. // High Pressure Research. 1995. - V. 13.-№6. -P. 367-376.

81. Salishchev G.A., Mironov S.Yu. Effect of mechanical properties of commercially pure titanium. // Russian Physics Journal. 2001. - V. 44. - № 6. -P. 596-601.

82. Кутсар A.P., Герман H.B., Носова Г.И. (а—>со) превращение в титане и цирконии в ударных волнах. // ДАН СССР. - 1973. - Т. 213. - С. 81 - 84.

83. Hereil P.L. On the strain rate dependence of yield stresses of copper at high strain rate. In: Impact loading and dynamic behaviour of materials. Oberursel, Germany: DGM, 1988. P. 385 - 392.

84. Rohde RW. Dynamic Yield Behavior of Shock-Loaded Iron from 76 to 573°K. // Acta Metallurgies 1969. -V. 17. - P. 353-363.

85. Asay J.R. Shock-Induced Melting in Bismuth. // J. Appl. Phys. 1974. - 45. - P. 4441-4452.

86. Resistance of zinc crystals to shock deformation and fracture at elevated temperatures. / AA. Bogach, G.I. Kanel, S.V. Razorenov et al. // Physics of the Solid State. 1998.-V. 40.-№ 10.-P. 1676-1680.

87. Kanel GI., Razorenov SV. Bogatch AA. Spall Fracture Properties of Aluminum and Magnesium at High Temperatures. // J. Appl.Phys. 1996. - V. 79. - № 11. -P. 8310-8317.

88. Zhuowei Gu and Xiaogang Jin. Temperature dependence on shock response of stainless steel. // In: Shock compression of condensed matter 1997, AIP Conference Proceedings. - USA, - 1998. - № 429. - P. 467-470.

89. Meyer LW, Krüger L, Drop Weight Compression-Shear Testing. In: Mechanical Testing and Evaluation, ASM Handbook, 2000. V. 8. -P. 452-454.

90. Sameer Singhal, Jill Tucker, A. Saxena. Effect of long-term stress and temperature exposure on the fracture toughness of Ti-62222 alloy. // Engineering Fracture Mechanics. 1999. - V. 64. - P. 799 - 803.

91. Meyer L.W., Chiem C.Y. Conditions of adiabatic shear in dynamic torsional and compressive loading of Ti A16 - V4. // In: Titanium, Science and Technology, Oberursel, Germany: DGM, - 1985. - P. 1907 - 1921.

92. Meyer L.W. Strenght and ductility of a titanium-alloy TiA16V4 in tensile and compressive loading under low, medium and high rates of strain. // In: Titanium, Science and Technology, Oberursel, Germany: DGM, 1985. - P. 1851 - 1860.

93. Andriot P., Lalle P., Dejean J.P. Quasi-elastic behavior of pure titanium and

94. TA6V4 titanium alloy at high pressure. // In: Shock compression of condensed matter 1993, Melville, New York, 1994. - № 309. - P. 1009 - 1012.

95. Баум Ф.А., Орленко Л.П., Станюкович К.П. и др. Физика взрыва. М.: Наука, 1975. - 704 с.