Особенности динамического взаимодействия потока высокоскоростных порошковых частиц с металлами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

РГи ОД

На правах рукописи

2 4 НОЯ '997

АЛЕКСЕНЦЕВА СВЕТЛАНА ЕВГЕНЬЕВНА

УДК 621.384.6

ОСОБЕННОСТИ ДИНАМИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОТОКА ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ПОРОШКОВЫХ ЧАСТИЦ С МЕТАЛЛАМИ

Специальность 01.04.07 - физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Самара - 1997

Работа выполнена в Самарском государственном техническом университете.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ доктор физико-математических наук, профессор Бекренев А.Н.

СОРУКОВОДИТЕЛЬ кандидат технических наук, доцент Кривченко А.Л.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ доктор физико-математических наук, профессор Амосов А.П. кандидат технических наук Маеров Г.Р.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ НИИ импульсных процессов (г.Минск)

Защита состоится " • 1997 г. в часов на

заседании диссертационного совета Д 063.16.03 в Самарском государственном техническом университете по адресу : 443010, г.Самара, ул. Галактионовская, 141, ауд.ЕЗ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета.

Автореферат разослан . 1997 г.

Ученый секретарь специализированного Совета, /

г*

доктор физико-математических наук, профессор / Митлина Л.А

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из приоритетных направлений и способов обработки металлов являются импульсные методы, обеспечивающие динамическую перестройку структуры и свойств. Особое место среди различных видов ударно-волнового нагружения занимает динамическое взаимодействие потока высокоскоростных порошковых частиц с металлической матрицей, реализующее эффект сверхглубокого проникания (СГП). Эффект сверхпроникания наблюдается при разгоне частиц за счет энергии взрыва в диапазоне скоростей (1-3)-103 м/с. Проникание частиц в матрицу осуществляется на глубину до 1000 диаметров микротел с критическим размером 100-140 мкм.

Особенности процесса сверхглубокого проникания определяются фундаментальными изменениями в поведении твердого тела. К настоящему времени не найдено единого понимания микрокинетики процесса СГП. Невозможность адекватного описания процесса сверхпроникания частиц с позиций современных баллистических теорий делает актуальным изучение поведения металла при динамическом воздействии потока высокоскоростных частиц и эволюции его структуры с привлечением неравновесной термодинамики. Сложность теоретического описания характера и построения модели процесса СГП частиц приводит к необходимости всестороннего исследования свойств и структуры на субмикро-, микро- и макроуровне.

Цель и задачи работы. Определение общих закономерностей и особенностей проявления эффекта сверхглубокого проникания при динамическом взаимодействии потока высокоскоростных порошковых частиц с титаном, медью и сплавом алюминия .

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи

исследования:

- реализация процесса взаимодействия потока высокоскоростных порошковых частиц с металлической матрицей в камере с применением режимов динамического нагружения , обеспечивающих эффект сверхглубокого проникания;

- оценка кинетических, динамических и теплофизических характеристик процесса СГП частиц с позиции законов гидродинамики, баллистических теорий и физики тепловых процессов;

- определение степени неравновесности процесса взаимодействия потока высокоскоростных частиц с металлической матрицей и анализ термодинамического состояния материала матрицы;

- экспериментальное исследование процесса сверхглубокого проникания , изменения свойств и образования пространственно-упорядоченных структур в металлической матрице в результате взаимодействия с потоком частиц .

Научная новизна. Реализован метод формирования структурно-энергетического уровня " материал матрицы - частицы " в результате динамического взаимодействия металлов с потоком высокоскоростных частиц и обусловленный проявлением эффекта сверхглубокого проникания. Показана неадекватность описания явленю СГП частиц в рамках физики равновесных процессов. Впервые взаимодействие направленного потока частиц и металлической матриць рассмотрено как единая термодинамическая система, подсистемы которой ( частицы и матрица ) осуществляют обмен энергией и веществом, характеризующаяся свойствами синергетических систем. Определены возможные условия существования явления сверхглубокого проникания частиц . Экспериментально установлено влияни< ударной волны на проявление эффекта сверхпроникания. Выявлен!

качественная корреляция распределения концентрации внедренных частиц и свойств матрицы. Установлено образование диссипативных структур при обработке металлической матрицы потоком высокоскоростных частиц .

Положения, представляемые к защите:

- на основе использования специфического диапазона динамического взаимодействия потока высокоскоростных порошковых частиц с металлической матрицей в экспериментальной камере реализован эффект сверхглубокого проникания ;

- анализ термодинамического состояния титана,меди и алюминия при динамическом взаимодействии с потоком частиц;

- экспериментальные результаты, выявляющие квазипериодический характер распределения концентрации внедренных частиц и изменения свойств матрицы;

- особенности образования диссипативных структур в титане и меди в результате взаимодействия с потоком порошковых частиц;

- результаты исследования кинетики возврата точечных дефектов и формирования кластеров при нагреве металлов, обработанных потоком высокоскоростных порошковых частиц.

Практическая ценность. Проведенные исследования содержат новый подход к анализу механизма сверхглубокого проникания частиц. Результаты, полученные в работе, могут быть использованы при разработке технологий динамического упрочнения осесимметрич-ных инструментов и деталей машин. Выявленные в результате исследований продольные и азимутальные изменения микросвойств позволяют прогнозировать качество упрочняемых изделий и последующей их эксплуатации.

Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на XIII Мевдунар.конф.по физике прочности и пластичности металлов и сплавов (Самара,1992 г.). Междунар.конф. "Shock Waves in Condensed Matter" (С.-Петербург 1994,1996 г.), Симпозиуме "Синергетика, структура и свойства материалов, самоорганизующиеся технологии" (Москва,1996 г.).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и библиографического списка из //? наименований,содержит /^страниц машинописного текста, -■ 2.9 иллюстраций и 13 таблиц.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении сформулирована актуальность проблемы,цель исследования, обоснованы научная и практическая значимость работы, перечислены основные результаты, составляющие научную новизну и положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обзору работ по проблеме динамического взаимодействия потока высокоскоростных порошковых частиц с металлами и эффекту СГП, проявляющему себя в специфическом диапазоне нагрукения. Дан обзор ряда гипотетических моделей, выдвинутых исследователями для объяснения процесса СГП. Показано, что традиционные теории, основанные на равновесном характере протекания процесса динамического взаимодействия потока высокоскоростных частиц с металлами, не способны выявить механизм СГП.

Сделан анализ физических условий, обеспечивающих реализацию эффекта СГП в металлах. Рассмотрены структурные уровни деформирования в области проникновения частиц ( каналах ) и внеканаль-

ной зоне. Амортизацию материала матрицы вблизи проникающей частицы можно трактовать как особый кинетический фазовый переход. В ряде материалов структурные изменения во внеканальной зоне сопровождаются фазовыми превращениями.

Для адекватного описания процесса динамического взаимодействия потока высокоскоростных частиц с металлами необходим новый подход на основе неравновесной термодинамики и синергетики.

Во второй главе изложен метод обработки материалов потоком высокоскоростных порошковых частиц в камере и приведено обоснование методики исследования свойств и эволюции структурных уровней обработанной матрицы. Сделан сравнительный анализ методов обработки в камере и взрывного ускорителя, используемого Белорусским НИИ импульсных процессов.

Эффект сверхглубокого проникания реализован в специально разработанной экспериментальной камере, показанной на рис.1. Разгон частиц осуществлялся при детонации заряда насыпного взрывчатого вещества с параметрами детонации: скоростью 6.0 км/с и давлением 12-14 ГПа. При этом имел место разгон частиц до 1.5 -2 км/с. Формирование потока происходит в ориентирующем канале, имеющем выходное отверстие, соответствующее диаметру обрабатываемой матрицы. Длительность взаимодействия потока частиц с металлической матрицей составляет ~ 10 мкс.

С целью исследования особенностей процесса сверхпроникания применялись технически чистые металлы титан, медь и сплав алюминия АМгб. Обработка проводилась потоком частиц различных материалов -И, N1, П, Сг, С, ПВ2.

Путем построения ударных адиабат определено давление соударения потока частиц с мишенью (12-16 ГПа) и локально с отдельны-

Рис.1. Схема установки для обработки металлов потоком высокоскоростных частиц: 1-элекгродетонатор, 2-заряд взрывчатого вещества, 3-навеска порошковых частиц, 4-ориентирующий канал, 5-камера, 6-металлическая матрица, 7-крепежная конструкция.

ми частицами. Графически начальные параметры ударной волны найдены пересечением зеркального отражения адиабаты материала частиц с материалом матрицы, рассчитанные на основании закона ударной сжимаемости вещества.

На основе модели высокоскоростного соударения двух пластин, используемой при сварке взрывом, и нагреве полубесконечного тела поверхностным источником даны оценки температурного поля при динамическом воздействии потока частиц на поверхности матрицы и параметры зоны тепловыделения, которые хорошо коррелируют с экс-

периментальными данными процесса кратерообразования. Определена температура нагрева матрицы.

Описаны аппаратура и методики проведения рентгеноструктур-ного и микрорентгеноспектрального анализа, методы измерения плотности,твердости, микротвердости металлической матрицы и металлографического анализа.

В третьей главе проведен термодинамический анализ состояния металлов при динамическом взаимодействии с потоком высокоскоростных порошковых частиц. Превалирующим фактором реализации процесса СГП является ударное воздействие потока частиц. Металлическая матрица как термодинамическая система до взаимодействия с потоком частиц находится в состоянии устойчивости. После приложения определенного давления, когда превзойден динамический предел текучести, в системе происходят необратимые изменения, деформируемый металл в состоянии пластичности является сильнонеравновесной термодинамической системой.

Изменение энтропии деформируемого металла можно определить с использованием методики, разработанной петербургским ученым Колбасниковым Н.Г. и другими соавторами, на основе реологической модели упругопластического тела с линейным упрочнением. Данная модель описывает деформируемый металл с непрерывным спектром времен релаксации и пределов текучести х.

Деформирующее напряжение описывается уравнением: £

6 = Е[е-$-С1/(1 + Ь)> (Е-Т) №) с!г 3, О

где £ - степень деформации металла, Е - модуль упругости, Ь -параметр упрочнения, - плотность вероятности, характеризую-

щая термодинамическое состояние системы в целом.

с12б Е

Вторая производная - ---:Г(т:) дает возможность

йг2 1 + Ь

определить значение плотности вероятности Г(т:), численные значения которой рассчитываются с использованием нормализованной функции .

Изменение статистической энтропии от исходного состояния базируется на определении энтропии по Ландау-Лифшицу:

х

дБ = - И I Г (г) 1п №) с1"С , о

где И - универсальная газовая постоянная.

Определение энтропии проведено по кривым б г, отражающим характерные состояния металла при СГП: исходное в точке о, достижение динамического предела текучести в точке а и состояние деформирования металлической матрицы при СГП в точке с.Для построения деформационных кривых использованы экспериментальные значения динамического предела текучести исследуемых материалов. Истинное деформирующее напряжение за пределом текучести определено по зависимости б = р ( 1-2у )/( 1-у ), где р - давление при соударении с потоком частиц, V - коэффициент Пуассона. Суммарная деформация при этом в зависимости от относительного удельного объема деформируемого металла равна е = (4/3)1п(У/Уо).

Изменение энтропии в соответствии со степенью деформирования металла при сверхпроникании показано на рис.2. Вид кривых за точкой а соответствует лавинообразному образованию дислокаций, преобразованию полей упругих напряжений в поверхностную энергию

- и -

¿5

5

6

о

/

-/

Рис.2. Зависимость относительного изменения энтропии от степени деформации в алюминии(1), меди(2) и титане(3) в результате воздействия потока высокоскоростных порошковых частиц.

новой межзеренной границы. Импульсное нагружение вызывает изменение энергии взаимодействия между атомами. При этом частота перескоков атомов выше, чем в равновесной решетке, что соответствует возрастанию коэффициента диффузии. Возможно уменьшение энергии активации за счет скоростной деформации. Все эти микропроцессы сопутствуют и обусловливают эффект сверхпроникания частиц. Взаимодействие же отдельных частиц с металлом лежит в квазиупругой области и не приводит к сильнонеравновесному состоянию материал матрицы.

Таким образом, установлено, что металлическая матрица при взаимодействии с потоком высокоскоростных частиц в диапазоне,

обеспечивающим эффект СГП, испытывает в соответствии с величиной деформации комплекс состояний и изменение термодинамического потенциала. На основании анализа термодинамического состояния металла выявлены возможные условия существования процесса СГП. Сверхглубокое проникание частиц происходит, когда давление соударения при взаимодействии с потоком частиц достигает значений, при которых деформируемый металл в состоянии пластичности является сильнонеравновесной термодинамической системой. Материал матрицы обменивается с потоком как энергией, так и веществом, о чем свидетельствует проникающие вглубь материала частицы. В силу диссипативности системы возникает новый структурно-энергетический уровень " частицы-матрица ".

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию эффекта сверхглубокого проникания и установлению общих закономерностей и особенностей проявления этого процесса. На основании теоретических и экспериментальных исследований установлено, что сверхпроникание частиц сопряжено с распространением ударной волны в результате воздействия потока частиц, сформированного в струе продуктов детонации. Согласно данным рентгеноспектрального микроанализа выявлен квазипериодический характер распределения концентрации проникающих частиц в линейном приближении вдоль оси (рис.3,кривая 1) и интегрально по глубине матрицы( рис.3,кривая 2). Распределение концентрации внедренных частиц и свойств матрицы в азимутальном направлении обусловлено особенностями предложенной схемы нагружения и распространением пластической волны в матрице(рис. 4).

При динамическом взаимодействии потока частиц с металличес-

оз

0,2

о/

О, О2 0.01

/5 2О г5

Рис.3. Распределение концентрации внедренных частиц хро-ма(1) и титана(2) по глубине медной матрицы в результате динамического воздействия потока высокоскоростных частиц.

т,г

0,3-

ОЛ

01-

Н^МЛа /300

/ООО

0 5 Ю /5

Рис.4. Кривая 1 - распределение концентрации титана в медной матрице в азимутальном направлении. Кривая 2 - микротвердость поверхностного слоя меди после обработки потоком хрома.

кой матрицей возникает периодическое поле градиентов давлений, соответствующее периодическому режиму по типу волны перехода среды из неустойчивого состояния в устойчивое.

Последеформационные исследования состояния матрицы показали, что в основном области максимального содержания частиц являются смещенными по фазе по отношению к зонам повышенной микротвердости, плотности матрицы и ее дефектности ( увеличение значений уширений дифракционных линий и высокая плотность дислокаций ), рис.5 и 6 . Проведен анализ периодического изменения дефектности матрицы по форме дифракционных линий, микроискажениям кристаллической решетки и плотности дислокаций с использованием теории рентгенографии. На основании оценки тепловых процессов при воздействии на металлы волны сжатия и волны разрежения вследс-

Сг,%

4

о,ою.

0.005-

с

5

Рис.5. Изменение плотности дислокаций по глубине медной матрицы, обработанной потоком частиц хрома, и распределение концентрации внедренных частиц (показано уровнями).

Рис.6. Изменение плотности титана(1), микротвердости(2), плотности дислокаций в титановой матрице(3) и концентрации вольфрама после динамического воздействия потоком высокоскоростных частиц.

твие выделения диссипированной энергии развито представление о вкладе микропроцессов , сопровождающих прохождение волны разрежения, при сверхпроникании частиц.

Проведено исследование процессов возврата точечных дефектов при дорекристаллизационном нагреве( 200°С в течение 2-х часов ) алюминиевого сплава, обработанного потоком высокоскоростных частиц вольфрама, и влияния на изменение микротвердости (рис.7) .

О £ Ю {5 20 25 эс.мп

Рис.7. Изменение микротвердости алюминиевого сплава АМгб, обработанного потоком частиц вольфрама, до(1) и после(2) отжига.

а) б)

Рис.8. Микроструктура титана (х1100): а) исходное состояние, б) обработка потоком частиц диборида титана.

Показана возможность процесса старения с образованием кластеров атомов за счет внедренного элемента частиц, которому благоприятствует соотношение атомных радиусов ( для вольфрама 0.141 нм, алюминия - 0.143 нм ), и влияние сверхравновесной концентрации вакансий.

Экспериментальное исследование диссипативных структур, возникающих в результате динамического воздействия направленного потока высокоскоростных порошковых частиц вольфрама и диборида титана, позволило выявить появление пластинчатой а- фазы в титане, образование которой не достигается при обработке продуктами детонации ( рис.8). В результате происходит повышение микротвердости и твердости, имеющие немонотонные зависимости по глубине. Специальные исследования титана после обработки потоком частиц вольфрама в областях минимального и максимального содержания внедренных частиц не выявило особенностей изменения микроструктуры, что связано со временем структурообразования в области проявления остаточной температуры.

Изучены особенности структурных превращений в меди. Металлографическое исследование показало, что деформирование меди отличается значительной неоднородностью. Обнаружены следы множественного скольжения, двойникования и образования более мелких субфрагментов внутри крупных. Это приводит к повышению твердости медной матрицы на 60% и имеет значение 180-190 НУ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Разработан новый метод формирования структурного уровня " материал матрицы - частицы " в металлах при динамическом взаимодействии с потоком высокоскоростных порошковых частиц, сформированным в ударной волне и продуктах детонации, в результате проявления эффекта сверхглубокого проникания в специфическом диапазоне импульсного нагружения.

2. На основании критического анализа гипотетических моделей механизма сверхпроникания и оценки кинетических, динамических и теплофизических характеристик процесса .СГП частиц показана неадекватность описания процесса сверхпроникания с помощью баллистических теорий и физики равновесных процессов.

3. В рамках неравновесной термодинамики проведен анализ возможных критических условий протекания процесса сверхглубокого проникания , на основе определения энтропии изучено структурно-энергетическое состояние исследуемых металлов при динамическом воздействии потока высокоскоростных частиц , позволяющее учитывать вклад диссшшрованной энергии.

4. Исследование влияния ударной волны при динамическом взаимодействии высокоскоростных частиц с материалами позволило выявить, что взаимодействие одиночных высокоскоростных частиц с металлической матрицей определяется квазиупругой областью,а доминирующая роль в реализации эффекта сверхпроникания принадлежит коллективу частиц как потока, ударно-волновое воздействие которого находится в области неравновесного состояния материала и интенсивного пластического деформирования.

5. Распределение концентрации проникающих частиц в матрице носит квазипериодический характер и обусловлено распространением

ударной волны в исследуемых материалах.

6. На основе экспериментальных результатов исследования плотности, микротвердости, плотности дислокаций выявлен квазипериодический характер изменения свойств исследуемых металлов по глубине и в азимутальном направлении, обусловленный распространением ударной волны сжатия и разрежения при динамическом воздействии потока высокоскоростных частиц.

7. Экспериментальные исследования кинетики возврата точечных дефектов, и.образования кластеров показали, что дорекристая-лизационный нагрев алюминиевого сплава АМгб, подвергнутого обработке потоком частиц вольфрама, сопровождается повышением микротвердости и указывает на инициирование процессов старения и влияние вакансий.

8. Образующиеся при динамическом воздействии потока высокоскоростных частиц пространственно-упорядоченные структуры характеризуются значительной неоднородностью проявления в исследуемых материалах. В меди зафиксировано появление более мелких субфрагментов внутри крупных, двойников и следов множественного скольжения. Наблюдается образование пластинчатой структуры <х-фа-вы в титане.

Основные результаты диссертационной работы отражены в следующих публикациях:

1. Алексенцева С.Е., Кривченко А.Л., Исаев Д.В., Абрамов В.К. Динамическое поверхностное легирование железа.//Физ.прочн.и пластичности металлов и сплавов.: Тез.докл. XIII межд.конф., 23 июня - Z июля, 1992.- Самара.- С.282.

2. Алексенцева С.Е., Кривченко А.Л. Динамическое легирова-

ние титана.//Актуальные проблемы науки,технологий,производства и образования.-.Тез.докл. межд.конф.- Чимкент, 1993.- С.46.

3. Aleksentseva S.E., Bekrenev A.N., Krivchenko A.L. On Wave Phenomena in the Process of Superdeep Penetration of Particles. //Shock Waves in Condensed Matter: Proc. of Int.Conf.-St.Petersburg, Russia, July 18-22, 1994, p.25.

4. Алексенцева С.E..Калашников B.B., Кривченко А.Л., Ци-винская Л.В. Системное взаимодействие направленного потока с металлической матрицей.//Синергетика, структура и свойства материалов, самоорганизующиеся технологии. Тез.докл. симпозиума.- М., 12-14 ноября,1996.- С. 24-25.

5. Алексенцева С.Е., Кривченко А.Л. Исследование физических свойств сплава алюминия после обработки потоком высокоскоростных частиц.- Самара,1996.-бС.-Деп.в ВИНИТИ 12.04.96..N1192-B96.

6. Алексенцева С. Е., Исаев Д.В., Кирсанов Р.Г., Кривченко А.Л. Обработка стали ЗХЗМЗФ энергией взрыва.//Эволюция дефектных структур в конденсированных средах. Тез.докл. III межд.шк,- семинара.- Барнаул, 27 авг.- 2 сент., 1996,- С.39.

7/ Aleksentseva S.E., Isaev D.V., Krivchenko D.A. Structure and Characteristics of Metals after the Processing by Stream of the Particales of High Speed.// Shock Waves in Condensed Matter: Proc. of Int.Conf.- St.Petersburg, Russia, September 2 - 6, 1996, p.122.

8. Алексенцева C.E., Кривченко А.Л. Особенности процесса обработки титана потоком порошковых частиц.-Самара,1997.-7С.-Деп.в ВИНИТИ 19.06.97., N2024-B97.