Особенности массопереноса в металлах и сплавах при прохождении ударных волн тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

РГ6 од

АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ ИНСТИТУТ МЕТАЛЛОФИЗИКИ

На правах рукописи 7 УДК 539.219.3:53.09

ЗВОРЫКИН Леонид Олегович

ОСОБЕННОСТИ МАССОПЕРЕНОСА В МЕТАЛЛАХ И СПЛАВАХ ПРИ ПРОХОЖДЕНИИ УДАРНЫХ ВОЛН

1 V У

01.04.07—физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на {соискание ученой степени . доктора технических наук

Киев — 1994

Работа выполнена о Институте металлофизики Академии наук Украины

Официальные оппоненты: \

доктор технических наук,"профессор , 4 • .

М. В. Белоус Л (Киевский йолитехнический институт)

доктор технических наук, ' ' /

В. В. Даниленко

(Институт проблем материаловедения им. И. Н. Францсвпчг Академии наук Украины, г, Киев)

доктор технических наук,

В. В. Соболев ,,

(Украинская государственная горная академия, г. Днепропетровск) \ 7 Ведущая организация: Институт проблем прочности АН Украины, г. Киев

- Защита состоится « ^ » 199^ п. в /4 . часог

на заседании Специализированного совета Д 016.37.01 при ИнстИ' туте металлофизики АН Украины (Киев, пр. Вернадского, 36, кон ференцзал ИМФ АН Украины)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института металлофизики АН Украины

Отзывы в' двух экземплярах, заверенные печатью, просим на правлять по адресу: 252680, ГСП, Киев-142, пр. Вернадского, 36 Институт металлофизики АН Украины

1994 г.

Автореферат разослан «

»

Э. Г. Мадатовг

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш.

Интенсивное развитие исследований в области физики ударных ¡олн, начавшееся в середине пятидесятых годов, позволило развить не олько теорию этих процессов, но и технику экспериментов, озволяпцую рассчитывать и измерять характеристики нагружения. Эти 'аботы кроме решения прикладных задач открыли широкий спектр новых влений, происходящих в тверда« телах в условиях ударного сжатия, частности, было установлено, что многие процессы протекающие в бычных условиях достаточно медленно при прохождении ударных волн роисходя? за время ~10"1О-КГ11 с. К числу таких процессов были тнесены фазовые перехода 1-го рода немартенситного типа , роцессы структурной релаксации, некоторые химические реакции и ругие. Общей особенностью этих процессов являлась их диффузионная рирода в условиях близких к равновесным. Все это вызывало начительный интерес к исследованиям физических особенностей этих влений. Однако, при обилии фундаментальных работ, выполняемых под уководством С.С.Бацанова, А.Н.Дремина, М.Мейерся и др., аправленных на развитие физических принципов динамического синтеза овых материалов, исследования аналогичного уровня в области роцессов массопереноса, вызываемых в твердых телах ударным сжатием е проводились. Новым шагом в этом направлении явились работа, ачатые под руководством Л.Н.Ларикова и В.М.Фальченко , в которых ало установлено, что при скоростях..деформации, превышаш^х юг ~1, процессы перераспределения атомов в металлах и ' сплавах скоряются на много порядков. Эти исследования, проведенные за оследние двадцать лет, позволили установить многие физические акономерности, присущие изучаемому явлению и сформировать пределенные представления о физических механизмах их протекания. то дало основу для дальнейшего развития исследований физической рироды таких явлений в условиях ударного сжатия.

Изучение явления массопереноса в металлических материалах при рохождении ударных волн является звеном цепи, объединяют".™ ундаментальнув проблему физики твердого тела - исследоватю зханизмэ явления ускорения подвижности атомов при высокоскоростном сформировании металлов, и физики ударных волн в сплошных средах -чеающейся особенностей кинетики процессов, протекаэдих в ударных эднах..Следует отметать, что, если V Физике твердого тела эта эсля9мз является в какой-то мере автономной, то формироваяи* нобнх

представлений о механизме изучаемого явления может существеннс повлиять на теорию ударных волн в кристаллах.

Актуальность исследований связана с необходимостью ■ решенш вышеуказанных проблем, которые и определили цель и задачи настоящей работы. Цель работы.

Настоящая диссертационная работа посвящена решению научно} проблемы разработки научных основ физики нестационарного массопереноса в металлах и сплавах при прохождении ударных волн.

При выполнении таких исследований необходимо было ответить нв ряд основополагающих вопросов:

- При каких условиях наблюдается явление . массопереноса при проховдении ударных волн в металлах?

- Какова роль ударной волны в реализации такого массопереноса?

- Какие особенности исходной структуры и свойств нагружаемых материалов оказывают наиболее заметное влияние на перераспределение элементов в металлах при прохождении ударных волн?

- За какое время протекают основные процессы массопереноса при прохождении ударных волн?

Все это обусловило выбор основных задач исследования:

- Экспериментальное исследование основных закономерностей процесса массопереноса в металлах и сплавах при проховдении ударных волн.

- Проведение анализа изменений структуры и свойств металлов и сплавов, вызываемых протеканием массопереноса в условиях взрывной обработки.

- Определение влияния массопереноса на особенности распространения ударных волн в кристаллах.

Научная новизна.

Проведенные исследования и анализ полученных результатов позволяют глубже понять природу явления нестационарного массопереноса в металлах и сплавах при прохождении ударных волн. Обнаружен нижний граничный уровень динамических давлений при которых массоперенос начинает проявляться. Показано, что этот процесс происходит практически во всем обЪеме ударко-сжамаемых кристаллов. Сопоставление закономерностей формирования зоны массопереноса в металлах при прохождении ударных волн и в условиях взаимодействия высокоскоростных ударников с металлическими преградами позволили выделить превалирующее влияние на массопзренос фронта ударной волны. Это подтвердили также установленные

юобенности изменения размера зоны массопереноса при развитии роцессов . деформации за счет боковой разгрузки, структурные юобенности материала, закономерности образования и роста новых фаз 1 такой зоне. Впервые установлено, что перераспределение элементов : металлах при ударном сжатии происходит за счет процессов, ротекавдих во фронте нарастания давления . Релаксационные процессы области квазигидростатического сжатия и в волне разгрузки вносят зменения в уже сформировавшуюся зону массопереноса.

Теоретичесгсий анализ развития процессов масссопереяоса во ронтв ударной волны, проведенный на основе гидродинамической еории Рэшагаа-Гюгогшо, позволил разработать феноменологическую одэль изучаемого явления. Результаты, полученные на основе этой одели, позволили объяснить высокие значения вязкости и ширины ронта ударной волны в металлических материалах, изкерешше ранее в аботах других авторов и не нмевшшие до сих пор удовлетворительного ЗЪяснения. Следует отметить, что аналогичное влияние процессов врераспределения атомов на ширину фронта ударной волнн и вязксстЪ или известны для газовых сред. В случае кристаллических металлов и плавов такие закономерности бнли установлены впервые.

Полученные результаты позволяли ответить на вопрос: где и згда происходит массоперенос? Он осуществляется, в основном, во ронтв нагрузки плоской ударной водна за вршая прохождения такого ронта через кристалл. Ркесте с тем, не менее важной является и эоблема установления природы элементарных актов реализации зссопереноса. Основой для установления иикромехшгизмз ассоперекоса являются результаты модельных экспериментов по гсиянига исходной структуры металлической матрицы на эрераспре делегате элементов при прохождении плоских у драных воли, жономерности влияния плотности структурных дефектов, энергии эфзктов упаковки металлов и сплавов, кристаллографической

ЗИ9НТ8ЦИИ различных монокристаллов, исходной температура этоллической матрицы позволили установить, что интенсивны* эоцессн массопереноса развиваются в кристаллическом состоянии, зичем, более благоприятными являются условия, при котяры? юцессам скольжения дислокаций сопутствуют альтернации* »ханизкн деформации. Показано, что высокие значения напряжений и : градиента во Фронте ударной волны обеспечивают ьогможсть не >лько скольжения, но и силового переползания краевых дислокаций, ?о, как известно, сопровождается переносом мяссы. Учет таких

-ЧЧОк

процессов на основе использования модели фронта ударной вола М.Мейерса дал возможность не только связать элементарные акт! массопереноса с переползанием дислокационных петель, ступенек ] диполей межузельного типа, но и объяснить закономерности затуханш плоских ударных волн в металллах. Предложенная гипотеза позволяв' объяснить наличие в зоне массопереноса значительного количеств! перенесенных атомов железа, находящихся в скоплениях, сохраняющих ] парамагнитной матрице ферромагнитные сойства. Таким образом массоперено.с в металлах и сплавах при ударном сжатии, по-видимому является частью процессов пластической деформации, развивающихмо во фронте ударной волны. Это позволяет описывать фронт ударно) волны не привлекая гипотезу о сверхзвуковом скольжении дислокаций Вместе с тем, для окончательного заключения относителльн* элементарных актов, обеспечивающих протекание массопереноса пр! прохождении плоских ударных волн, необходимо дальнейшее развит» эксперриментальныхи теоретических исследований. Получении результаты дают основания считать, что исследования особенносте! процессов массопереноса важно не только для понимания физики этог< явления, но и для развития современных представлений о физиш ударных волн в твердых телах.

Практическая значимость работы.

Анализ процессов массопереноса, происходящих в условия; реализации взрывных технологий обработки конструкционных материала (сварка взрывом, динамического легирования порошковыми материалами нанесения покрытий) показывает, что разработанные физически представления позволяют правильно выбрать . режимы термообработю после импульсного нагружения, усовершенствовать технологи] динамического легирования порошковыми материалами и нанесена покрытий путем использования энергии взрыва. Полученные результат] дают основания считать, что учет особенностей перераспределена элементов в металлах и сплавах в условиях взрывной обработю является эффективным путем повышения эксплуатационных свойст; получаемых материалов.

Применение разработанных в диссертации представлений о физи» ностационарного массопереноса для усовершествования технологи взрывной обработки материалов позволяет более целенаправлен» решать прикладные проблемы создания новых материалов и нанесени, покрытий.

Основные защищаемые положения.

1. Массоперенос в кристаллических металлических материалах при ударном сжатии начинается при давлениях, превышающих динамический предел упругости, не связан с наличием граница раздела, а реализуется во всем обЪеме металла

2. В условиях прохождения/ плоских ударных волн массоперенос в металлах определяют преимущественно процессы, проходящие во Фронте нагрузки, квазистатическое сжатие и фронт разгрузки в таких условиях вызывают перераспределение элементов и изменения структуры в пределах сформировавшейся зоны мвссопереноса

3. Процессы массопереноса во фронте ударной волны, распространяющейся в металлических кристаллах, приводят к размытию такого фонта, обуславливают увеличение вязкости и способствуют затуханию ударной волны

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладывались на V и VI Всесоюзных конференциях по диффузии в металлах (Тула, 1981, 1986), Всесоюзном совещании "Работоспособность конструкционных материалов в азот-водородсодержащих средах при высоких температурах" (Славско, 1983), Всесоюзной школе-семинаре "Применение взрыва в эксперименте. Физика взрыва" (Красноярск, 1984), I Всесоюзном симпозиуме по химической кинетике и газовой динамике (Алма-ата, 1984), II Всесоюзноой конференции "Лаврентьевские чтения по математике, механике и физике" (Киев, 1985), XI и XII научных .семинарах "Влияние высоких давлений на вещество" (Одесса, 1986, 1937), Всесоюзном совещаний "Применение высоких давлений для получения новых материалов и создания интенсивных процессов химических технологий" (Москва, 1986), Научном семинаре "Радиоактивные изотош в исследовании свойств и качества металлов", (Киев, 1937), XI Международной конференции МАРИВД "Высокие давления в науке и технике" (Киев, 1987), III и IV Всесоюзном совещания по детонации (Таллинн, 1985; Телави, 1987), XII Всесоюзной конференции "Физика прочности и пластичности металлов и сплавов" (Куйбышев, 1989), Всесоюзном совещании "Влияние внешних воздействий на массоперенос в металлах" (Киев,1990), Международной конференции "Зарождение и рост трещин в металлах и керамике - роль структуры и окрукамцей среды" (Варна, 1991), Международном■симпозиуме по химии ударных волн' (Красноярск, 1991). Международной конференции по физике высокоэнергетических воздействий (Минск,1992); на периодических

2-3 ООк

5

заседаниях секции "Синтез новых материалов динамическими методами" Научного совета ГКНТ СССР'"Теория и практика применения высоких давлений в народном хозяйстве".

Основные результаты исследований опубликованы в 27 научных статьях.

ОбЪем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и выводов. Изложена на 240 страницах машинописного текста, включая Э7 рисунков, 14. таблиц и список литературы из 199 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность научного направления, изложены цели и задачи исследований, кратко изложены полученные основные результаты и их практическое значение, сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен краткий анализ теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованиям процессов, протекающих в твердых телах при прохождении ударных волн. Приведенные результаты показали, нто в условиях ударного сжатия кристаллов многие процессы, лимитированные в обычных условиях диффузией, протекают за время ~0Л-1 не. Это подтверждают и ' данные исследований, направленных на изучение массопереноса в металлах и сплавах при различных видах импульсных воздействий, свидетельствующие об ускорении этого процесса на много порядков при превышении скорости пластической деформации ¿>10 с-1. Отмечено отсутствие систематических исследований закономерностей массопереноса в металлических материалах в условиях прохождения ударных волн. Обсуждены литературные данные, касающиеся основных черт массопереноса в металлах и сплавах при импульсных нагружениях. Показана необходимость разработки основ физики нестационарного массопереноса б твердых телах при прохождении ударных волн, установления взаимосвязи массопереноса в металлах с процессами протекающими в ударных волнах. В заключение на основании ■литературных данных сформулированы задачи исследования.

Во второй главе описаны материалы и экспериментальные методики, примененные в работе для решения поставленных задач.

Основными материалами матрицы, применяемыми в экспериментах, были медь (99.9$), никель (99.8*)и молибден (9Э.85Х), кроме того для решения отдельных задач использовали цинк (99.99%), аллвдший

в

(99.999%), вольфрам (99.9955), сталь 45, сталь Р6М5, сплав ВТ-4, аморфный сплав Со58М10Ре5811 ,В16. При этом цинк, алюминий и молибден использова.пи как в поликристаллическом состоянии, так и в виде монокристаллов различных ориентаций. Материалами, обеспечивающими проникание в металлическую матрицу, являлись 63?и, 55?е, 1ДС, 137Са, ^е, 1П>Вг, Мо51, 5У(С+14С)+М1, ЯС+Са, цинк, олово, медь и свинец.

Выбор'меди, никеля и молибдена в качестве основных модельных материалов был обусловлен наличием обширного экспериментального материала, содержащего подробные исследования их поведения в различных условиях ударного сжатия. Использование. остальных материалов в качестве, металлической матрицы было обусловлено особенностями их поведения при импульсных воздействиях, в условиях которых изучали' массоперенос, или особенностями решаемых прикладных задач. Большинство используемых в работе материалов имеют известные ударные адиабаты, что позволяло достаточно точно определять параметры ударных волн, генерируемых методами взрывной обработки.

При выборе материалов, проникающих в металлическую матрицу, основным элементом, используемым в экспериментах являлся 631И, обеспечиваются максимальные возможности при применении методов радиоактивных изотопов и позволяющий исследовать процесс массопереноса как в гетеро- так и в гомогенных металлических системах. Кроме него в ряде случаев использовали 55Ре, 13ТСз, б0Со и С14, также удобные в проведении экспериментов, что давало возможность изменять природу мигрирующих атомов. Изотоп 571'е бил применен при проведении КЭЧ-спектрального анализа зоны массопереноса при прохождении плоской ударной волны в системе ТеП.

Для генерирования ударных волн использовали обычннв методики нагрутания: плоскими ударными волнами по схеме плоского соударения стальных пластин, разогнанных продуктами Езрыва, с цилиндрическими ампулами сохранения; нестационарными ударными волнами - по схеме контактного взрыва и косого соударения пластин. Расходящиеся ударные волны с малым радиусом расходимости генерировала с помощь сфокусированного пучка импульсного излучения ОКГ (х"'1.0в мкм, Ю,г-Ю13 Вт/см2). Взаимодействие высокоскоростных потоков с металлической матрицей для исследований закономерностей массопереноса достигали при проникновении металлических

а'-зэок

7

кумулятивных струй и других высокоскоростных лайнеров, ускоряемых продуктами детонации в различных схемах в интервале скоростей 1-8.2 км/с.

Характеристики ударных волн определяли путем предварительного их расчета из условий нагружения и последующего экспериментального определения. Скорость метаемых пластин и отклонение от плоскостности поверхности соударения определяли методом скоростной фоторегистрации. Регистрацию динамических давлений в ударных волнах осуществляли с помощью известных методов применения манганиновых датчиков.Кроме того, совместно с сотрудниками Ш1 и ЛМ им. С.Калиского были специально разработаны и применены биметаллические датчики высоких динамических давлений, позволяющие не только значительно расширить диапазон регистрируемых амплитуд ударных волн, но и одновременно измерять фазовую скорость ударной волны, что значительно повысило точность определения характеристик ударных волн.

При проведении исследований в работе применяли метода радиоактивных изотопов, КЭМ-, электрономикроскопического, Оже-, микрорентгеноспектрального и рвнтгеноструктурного анализов материала в зоне массопереноса. Механические испытания проводили по методике, обеспечивающей анализ механических характеристик . на основе теории хрупкого разрушения.

В третьей главе на/ основе анализа влияния начальных и краевых условий на вид концентрационных профилей распределения ' 4С и63Ш. в меди и никеле, сформированных при прохождении плоских ударных волн, установлено, что изменение концентрации проникающих с поверхности элементов по глубине проникновения может быть аппроксимировано функцией вида:

С(Х)=

0о , 0 < X < Х(бп)

(I)

. С0ехрГ-о(Х-Х0)п], X > Х(6П)

где п~1. При этом Хо(0„3) * О; Хо(1.0) » 0.7-0.8 мкм; Хо(3.0) = »2.5-2.8 мкм.Анализ особенностей распределения элементов покрытия в металлической цатрицв после прохождения плоских ударных волн показывает, что увеличение поверхностной активности и толщины покрытия приводит к росту глубины проникновения атомов не изменяя аналитический вид концентрационных зависимостей распределения

элементов в зоне массопереноса. Это позволило использовать в качестве количественных характеристик массопереноса максимальную глубину проникновения Хтах й параметры функции (I).

В экспериментах по исследованию масоопереноса в металлах и сплавах при действии импульсных нагрузок образование зоны массопереноса, как правило, происходит вблизи поверхности контакта различных материалов. В условиях прохождения ударных волн наличие поверхностей раздела имеет принципиальное значение. При прохождении ударных волн через границу контакта различных материалов ударная волна ' распадается на прямую волну, ' распространяющуюся в первоначальном направлении, и отраженную волну., вектор скорости которой направлен в обратную сторону. Результаты исследований особенностей- протекания массопереноса в модельных системах N1 -63Н1- N1 и Ре -55Уе - Ре свидетельствуют, что перераспределение 'элементов в металлических материалах при прохождении ударных волн происходит как в приповерхностных областях,. так и в объеме сжимаемого материала. Протекание массопереноса в этих условиях является характерным для всего ' обЪема, однако происходит преимущественно в направлении распространения

ударной волны. Перераспределение элементов в направлениях перпендикулярных вектору скорости ударной волны не обнаружено. Это дает основания считать, что увеличение,подвижности атомов в металак при прохождении ударных волн в определенные промежутки времени свойственно для каздой части кристалла и связано с' процессами, протекающими в ударной волне. ~ , ■

При проведении экспериментов, по изучению влияния амплитуды ударной волны на характеристики массопереноса, остальные характеистики, не связанные с давлением в уравнении состояния, сохраняли постоянными. Интервал динамических давлений, используемых в выполненных экспериментах : 0.5 - 94 ГПа. Нижняя граница этого интервала определялась стремлением проанализировать возможность протекания массопереноса при прохождении упругих волн сжатия. Верхний предел динамических давлений был ограничен имеющимися экспериментальными возможностями. Полученные результаты свидетельствуют, что процесс массопереноса в металлах не наблюдается в случае прохождения волн сжатия с малыми амплитудами (в пределах амплитуд упругого предвестника). Начало реализации аффекта, по-видимому, следует отнести к диапазону давлений при которых возникают пластические течения в ударчой волне. Такая

,4-300«

9

закономерность Сила проверена при проведении экспериментов на широком круге металических материалов, обладающих различными свойствами и типом кристаллических решеток (табл.1). По-видимому, развитие процессов пластической деформации в ударной волне является необходимым условием протекания массопереноса в условиях ударного сжатия.

Таблица I Глубина проникновения элементов покрытия в различные металлические материалы при прохождении волн сжатия с различными динамическими давлениями

Материал Материал Динамический Амплитуда волны Глубина про-

матрицы покрытия предел упру- сжатия , ве ния

Р„, ГПа Р, ГПа X , мкм

У шах

Никель "N1 1.0 1.0 0

63т 1 .0 10 18

Медь ь0м 0.63 0.5 0

63ш 0.63 10 26

55?е 0.63 0.5 0

0.63 30 32

Молибден ооН1 1.6 1.0 ' 0

63т 1.6 , 10 8

55?е 1.6 1.0 0

55Ре ' , ,» 1.6 10 6

Цинк С 0.5 0.4 0

14С 0.5 25 130

Алшщшй ■' ..... 0.54 0.4 0

0.54 25 150

Железо ■ ""'■"С........ 1.1 0.8 0

и0 1.1 30 • 42

Со-ЙО «и - оаН1 1.0 0.9 0

6ЭК1 1.0 47 120

Анализ зависимости Г{Рув) показывает, что после

достижения давлений, обеспечивающих протекание процессов пластической деформации, наблюдается реализация массопереноса глубина которого возрастает с увеличением амплитуда ударной волны. При росте динамических давлений зависимость глубины проникновения от РуЬ уменьшается, однако, при достижении давлений близких Ркр в заьискиооти X = Г(Р.,_) существует точка перегиба. Б интервал«

Рув>Р1Ср снова наблюдается интенсивное увеличение глубины массопереноса, затем зависимость также ослабевает.

Наличие особой точки зависимости может быть связано с изменением конфигурации фронта ударной волны при превышении скоростью пластической волны скорости звука в несжатой среде. Это наблюдается при достижении критических значений динамических давлений, совпадающих с соответствующими Р„„ в зависимостях X = I(Р,„.).

ну шах у Ь

Увеличение тув определяет длительность промежутке времени в течение которого элемент обЪема нагружаемого материала находится в состоянии сжатия до Р " Рув и обладает термодинамическими характеристиками, соответствующими такому состоянию. Изменение длительности импульса скатил не вызывает измэвений в процессах, протекающих во фронте ударной волны. Вместе с тем, при увеличении длительности импульса сжатия тув происходит релаксация деформационной структуры металлов к более равновесному распределению дислокаций. Наблюдаются изменения анялогичнл* происходящим при возрастаний амплитуды ударной волны: ^формируются стенки дислокационных ячеек, достигается более равномерное распределение точечных дефектов и их скоплений. Диапазон длительностей импульса сжатия, используемых в экспериментах, был ограничен от 1 до 18 мкс. Полученные результаты дают основания считать, что изменение длительности даетульсв сжатия че окарнг значительного влияния на глубину проникновения й5Ре и 63ш в м^дь, никель и молибден. Анализ изменений характеристик концентрационных профилей перераспределения элементов покрытий в зоне массопереноса от длительности импульса сжатия показывает, что увеличение туВ приводит к возрастанию параметра с0 при поотоянстрн « (аппроксимирующая функция вида (I)).

Полученные результаты и их сопоставление I? литературными данными дают основания считать, что глубину мяссопероноса, в основном, определяет амплитуда плоской ударной волны.. Длительность импульса сжатия слабо влияет на эту характеристику зоны массопереноса. Увеличение амплитуда ударной волны, определять плотность структурных дефектов, их взаимодействие, характеристики фронта ударной волны и температуру металлов при ударном стапч и после разгрузки, приводит к уменьшению параметра а и немонотонному возрастанию С0. Изменение «-ув сопровождается постоянством. « и увеличением С0 при больших длительностях импульсэ сжатая. Сопоставление таких закономерностей о соотретстБуидаи структурялга

3*-300к

II

изменениями дает основания считать, что значения параметра а определяются процессами, происходящими во фронте ударной волны, а величина С0, кроме того связана с протеканием структурной релаксацией неравновесной деформационной . структуры металлов, сформированной во фронте ударной волны.

Установленные закономерности , дают основания считать, что массоперенос в металлах при прохождении плоских ударных волн происходит только при развитии в волне сжатия процессов пластической деформации. При этом увеличение амплитуды динамических давлений приводит к интенсификации как массопереноса, так и структурных изменений, обеспечивающих такую деформацию. Процессы динамического возврата, вызываемые прохождением ударной волны, не оказывают определяющего влияния на перераспределение элементов е таких условиях нагружения.

Известны различные стадии деформации и вида пластических течений, возникакщие в условиях взрывной обработки. Это позволило сделать попытку локализации во времени протекания процессов массопереноса, стимулированного ударной волной, путем установления зависимости процесса перераспределения элементов покрытий в металле от условий деформирования области материала, в которой формируется зона массопереноса.

Условия деформирования изменяли путем помещения, образцов в различные условия сохранения при ударном сжатии. Полученная зависимость К«) свидетельствует, что в интервале остаточных

степеней деформации от 20 до 45 Ж с ростом с наблюдается уменьшение глубины проникновения. Следует отметить, что такая зависимость не наблюдалась при других способах нагружения, не обеспечивающих генерирование ударной волны. Обнаруженная закономерность может быть объяснена на основе одного из следующих вариантов:

- протекание пластической деформации отрицательно влияет на элементарные акты, обеспечивающие протекание массопереноса

- зависимость размера зоны массопереноса Хтах= К с) не связана с особенностями этого процесса, а вызвано изменениями уже сформированной зоны массопереноса при пластической деформации.

Из более ранних исследований известно, что пластическая деформация со скоростями до ТО4 о"' не оказывает на массоперенос отрицательного влияния, если не предшествует его протеканию в металле. О положительном влиянии на массоперенос пластической деформации свидетельствуют и результаты в которых показано, что

при отсутствии пластической деформации, когда интенсивность нагружения обеспечивает только упругое сжатие, массоперенос нл наблюдается. Это дало основания считать, что более вероятным является второй вариант объяснения наблюдаемой зависимости

По-видимому, формирование зоны массопереноса происходит на стадии нагрузки. При этом зона массопереноса, сформированная в ударной волне,будет продеформирована в условиях боковой разгрузки и увеличение степени деформации вызовет соответствующее уменьшение зоны массопереноса. Истиную глубину проникновения Xmajr можно расчитать исходя из соотношения:

X =Х' /(!-«) (2)

max max

где X* - глубина массопереноса в образце со степенью остаточной деформации Если при этом учесть, что приповерхностный слой в таких условиях деформируется больше, чем более глубокие, то зависимость истинной глубины проникновения от степени остаточной деформации будет характеризоваться прямой параллельной оси абсцисс. Таким образом, из анализа полученных результатов следует, что экспериментально наблюдаемое уменьшение X с ростом степени остаточной деформации становиться понятным, если процесс массопереноса рассматривать как процесс, протекающий в ударной волне, При этом, пластическая деформация происходит в уже сформировавшейся зоне массопереноса и приводит к уменьшению размера зоны массопереноса.

При проникновении высокоскоростного ударника в металлическую матрицу на границе их взаимодействия реализуются условия высокоскоростной деформации скорость которой зависит от скорости ударника и его плотности. Однако, ударная волна, генерируемая в таких условиях двигается на некотором расстоянии от поверхности взаимодействия. При этом формирование области взаимодействия контакта материалов преграды и ударника происходит в условиях высокоскоростного деформирования при высоких давлениях. Скорость деформирования в таких условиях остается столь же высокой, как и при прохождении фронта ударной волны, ¡го отсутствует влияние самого Фронта. Металлографический и микрорентгбносиектрягмшй налип особенностей распределения меди в области вблизи поверхности канала проникновения, образованного медной кумулятивной струей (v = 5.3 км/с) в материале преграды позволяет отметить, что глубина , проникновения меда в ст.З не . превышает 15 мкм от поверхности канала.Образование новых фаз, соответствующих системе медь-железо.

4-300к

13

ь зоне массопереноса не обнаружено. Зависимость концентрации меди от глубины X является гладкой функцией, близкой к зависимости (I), однако показатель степени п при этом составляет 1.5.-1.8 Аналогичный характер имеет и зона массопереноса свинца в стали 45 , сформированная в условиях близких к предыдущим (уу~ 2 км/с). Размер зоны массопереноса не превышает 10 мкм. При- этом, однако, кощвтращя свинца ¡в стали 45 достигает 35&, что значительно превышает предел его растворимости в железе. Образование прослоек новых фаз в зоне массопереноса также-не обнаружено.

При взаимодействии алюминиевой преграды с плотным порошковым лайнером (пористость 10-15%) КС(30 мае. %) + Са(70 мае. %) после соударения (уу= 5500 м/с; 8200 м/с) межфазных границ в области сформировавшегося покрытия ,на поверхности кратеров также не обнаружено. Вблизи зоны контакта галлия и алюминия наблюдается неоднородная но толщине зона массопереноса галлия в алюминии , при этом Хтах не превышает 10 мкм. Концентрация галлия в зоне массопереноса не превышает 10 ат.%. Образования новых фаз в -зоне массопереноса не обнаружено. Анализируя особенности образованных ьон массопереноса, следует отметить, что глубина проникновения массопереноса неоднородна по поверхности образованных кратеров. Область максимальных значений Хшахрасдалокена в ' направлении, соптавлящем угол ~45° к вектору скорости ударника. При атом возрастание скорости ударника на "60% доиводит к увеличению максимальных значений глубины проникновения галлия на 20%.

Анализ особенностей распределения элементов порошковой частицы в радиальном направлении с помощью микрорентгеноспектрального анализа показывает, что размер зоны массопереноса, протекающего в атом направлении, составляет для неметаллических компонент частиц 4-6 мкм и характеризуется зависимостью' близкой к экспоненциальному спаду концентрации легирующих элементов с увеличением расстояния от центра канала (точный функциональный анализ затруднен из-за малых значений размеров зоны массопереноса). Концентрация металлических компонент порошкового материала б области каналов на порядок ниже, чем неметаллических. Металлическая компонента в .большей степни сохраняется в порошковых частицах и значительно меньше расходуется при их движении. Распределение легирующих элементов в феррите и перлите отличаются незначительно. Расходование неметаллической компоненты значительно увеличивается при взаимодействии порошковых частиц с прослойками неметаллических

фаз типа сульфидов, ■

. Полученные результаты показывают, что при пластической деформации со скоростями близкими к скорости деформации в ударной волне процессы мэссопереноса также .наблюдаются. Однако, при формировании зоны массопереноса . в условиях прохождения фронта ударной волны глубина массопереноса значительно больше. Это также дает основания считать, что основной вклад в формирование зоны массопереноса при прохождении ударных волн вносят процессы, происходящие во Фронте нагрузки.

Следует отметить, что во многих случаях импульсных, нагружений волна напряжений, генерируемая при сжатии не является плоской. В этих условиях нагружаемый материал испытывает во Фронте ударной волны не одноосную,-*! трехосную деформацию. Общие закономерности, характерные для формирования зоны массоперяноса N163, Ре55, Сз137 в железе, меди, сплаве ВТ4 и вольфраме в условиях прохождения ударных ваяй с малым начальным радиусом расходимости (сравнимым с глубиной массопереноса), заключаются в сохранении зависимости Xm.aj{= f(P К наблюдаемой при прохождении плоских ударных, волн. Особенностью влияния таких условий нагружения является изменение вида концентрационных профилей распределения проникающих элементов покрытий, аггароксимирушихся не" экспонентой (I), а функцией близкой к функции Гаусса. Это, по-видимому, связано с быстрым затуханием' сферических ударных волн с малым радиусом расходимости. Образования новых фаз в зона массопереноса не наблюдается.

Анализ структурных особенностей зоны контакта в биметаллических системах Ст.45 - Си, Си - Sn, Ст.45 - РЬ после прохождения конических ударных волн, показывает, что &оны массопереноса имеют характерный размер от 15 до 35 мкм. Концентрационные профили меняются по мере распространения ударной волны в биметаллической системе; для них характерна зависимость типа (I), где параметр п изменяется от 0.7 до 3.1 при увеличении угла между фронтом волны и поверхностью контакта металлов. При достижении таким углом значений ~Э0° зона массопереноса практически не разрешима. Это согласуется с результатами полученными ранее в работч В.М.Фальченко, где показано, что скользящая волна оказывает значительно меньшей влияние на массоперрнос, чем плоская. Параметр /з слабо изменяется и в большинстве случаев принимает значения близкий 0.025 мкм~г'. Образование новых фоз в зоне массопереноса наблюдается только в

4*-ЗООк

15

областях, для которых угол меаду фронтом волны нагрузки и поверхностью контакта находиться в интервале 20-30°. Образующиеся фазы не соответствуют по составу равновесной фазовой диаграмме и из-за малой толщины не могут быть проанализированы методами рентгенеструктурного анализа.

При формировании зоны массопереноса в условиях косого соударения плоских пластин из меди, никеля и сталей также наблюдается формирование зоны массопереноса. Вместе с тем, в таких условиях нагружения затруднительно разделить массоперенос, вызываемый непосредственно ударной волной и струйными течениями, возникающими на линии контакта метаемой пластины и металлической матрицы. Экспоненциальный рост ширины зоны массопереноса с увеличением исходного расстояния между соударяющимися поверхностями свидетельствует о преимущественном влиянии на формирование зоны массопереноса ь этих условиях струйных течений.

Таким образом при воздействии на область контакта двух металлов расходящихся ударных волн закономерности, характерные для массопереноса в плоских ударных волнах принципиально не изменяются. Б случае сходящихся ударных волн значительное влияние на формирование зоны массопереноса могут оказывать струйные течения, возникающие в таких условиях. Процессы фазообразования происходят преимущественно в условиях существования струйных течений, вызывающих значительный разогрев тонких приграничных соударяющихся слоев и приводят к формированию метастабильного фазового состава, чаото не имеющего аналогов в квазиравновесных условиях.

Полученные результаты свидетельствуют о, том, что формирование зоны массопереноса в металлах в условиях взрывных воздействий может происходить за счет различных процессов. При прохождении плоских или расходящихся ударных вода перераспределение элементов осуществляется преимущественно за счет процессов, .связанных с реализацией пластической деформации во фронте ударной волны, при сопутствующем слабом влиянии релаксационных процессов в деформированном кристалле, В условиях прохождения косых и сходящихся ударных волн значительное влияние на массоперенос оказывают процессы типа турбулентного перемешивания, значительно изменяющие характер распределения элементов в зоне массопереноса.

В четвертой глаье представлены результаты исследований влияния исходной структуры и свойств металлов и сплавов на массоперенос при прохождении плоских ударных ьолн. Установлении таких

закономерностей является одним их путей решения задачи установления элементарных актов пластической деформации, ответственных за протекание массопереноса. В частности, увеличение исходной плотности структурных дефектов в меди при предварительной плластической деформации прриводит к подавлению двойникования и реализации деформации за счет скольжения дислокаций по разнообразным системам скольжения. На примере изучения массопереноса 63Л1 в меди с. различной исходно!} плотностью дислокаций установлено, что увеличение -дефектности кристалла приводит к. уменьшению массопереноса. Наблюдаемые изменения могут быть связаны как с изменением механизма пластической деформации, так и с тем, что увеличение начальной плотности структурных дефектов приводит к уменьшению прироста их количества в условиях прохождения ударной волны. Кроме того, дополнительные структурные дефекты могут являться препятствием при реализации элементарных актов массопереноса, как это предполлагается в условиях деформации с меньшими скоростями.

Анализ особенностей перераспределения б3Ш в сплавах на основе кобальта и никеля позволил установить, что даже небольшое изменение содержания никеля приводит к значительному изменению глубины массопереноса. Изучение фазовых и структурных изменений в таких сплавах при взрывной обработке позволили установить', что увеличение содержания никеля от 27 до 33 мае.Ж N1 в сплаве Со-Н1 уменьшается количество и размер пластин е'-фазы, образующейся при нагружении. В участках непревратившейся а-фазы повышается плотность дислокаций, образуются линии скольжения и ячеистая дислокационная структура. В этом интервале концентраций увеличение % N1 приводит к уменьшению глубины массопереноса. Это объяснено на основе учета известной закономерности более интенсивного массопереноса в ГПУ кристаллической решотке по сравнению с ГЦК-решоткой. Уменьшение количества с*-фазы (ГПУ), в которой массоперенос может проте^ть более интенсивно, по-видимому, и обуславливает наблюдаемую зависимость.

Увеличение глубины проникновения 63К1 при возрастании %Н1 до 40-42$ связано с прекращением распада фронта ударной волны, вызванного « с' переходом. Образование .с'-фазы в таких сплавах практически не наблюдается. Правильность такого объяснения подтверждена установленными закономерностями изменений зонч массопереноса 63Н1 в меда , вызванного ударными волнами с

различными конфигурациями фронта нагрузки. Расщепление фронта нарастания давления на две или три волны приводит к уменьшению глубины массопереноса.

Дальнейшее повышение содержания никеля' в сплаве Co-Nl до уровня 100% вызывает значительное возрастание энергии дефекта упаковки . и _в_ результате - изменение механизма деформации ■ на скольжение дислокаций. При этом глубина . массопереноса значительно уменьшается. По-видимому, и в данном случае протекание процессов деформации сдвигового типа создает условия благоприятные для массопереноса при прохождении плоских ударных волн.

Исследования массопереноса 63Ni в аморфном сплаве Co58Ni1 ^Fe^Si(1В,6при прохождении плоских ударных волн показали, что в некристаллическом состоянии' материала этот процесс либо не., протекает, либо происходит значительно менее интенсивно, чем в кристалле .'

. При установлении температурной зависимости массопереноса в условиях импульсной деформации проведен анализа соответствующих закономерностей в трех'видах импульсных натружений: при прохождении плоских ударных волн ; при высокоскоростной:деформации *'t=I02 с-1 и при взаимодействии высокоскоростного • потока с металлической преградой. В результате проведенных экспериментов установлено, что при понижении исходной температуры железа и его сплавов с никелем до уровня 14100 К наблюдается значительное увеличение глубины проникновения элементов покрытий (55Fe,60Co,63Nl) i вызванного высокоскоростной деформацией 10гс~'. Аналогичная зависимость наблюдается и при массопереносе в условиях проникновения высокоскоростных ударников в железную преграду.

- Анализ концентрационных профилей распределения 63Ni в металлах после прохождения ударных волн в меди и никеле с исходной температурой 77 К и 130 К, показал, что уменьшение исходной температуры металлической матрицы практически не оказывает влияния на массоперенос, обусловленный действием ударной волны. Различия в наблюдаемых закономерностях могут быть связаны с особенностями протекания процессов деформации при таких видах импульсного нагружения. Как было показано выше, массоперенос протекает в более благоприятных условиях при подавлении, процессов скольжения, альтернативой которым является двойникование и образование плоских дефектов. кристаллического строения. Переход к деформированию металлов и "" Ю2~Ю3 с""1) при низких температурах приводит к

развитию двойникования образованию дефектов упаковки, т.е. протеканию благоприятных для массопереноса процессов деформации. Прохождение плоской ударной волны (Рув= 25-30 ГПа)в меди и никеле и при обычных начальных температурах (300 К) приводит к созданию большого количества таких дефектов. Именно поэтому, по-видимому, уменьшение температуры не оказывает существенного влияния на массоперенос в меди и никеле.

Изменение ориентации монокристаллов сильно, влияет на особенности протекания элементарных актов, обуславливающих реализацию пластических течений. Это • вызвало интерес к осуществлению анализа возможных изменений в зонах массопереноса, формируемых при прохождении ударных волн .в монокристаллах с различной . кристаллографической ориентацией. В таблице 2 представлены основные результаты исследования массопереноса 14С и 63М1 в монокристаллах цинка, молибдена и алюминия, имекчцих различную ориентацию по отношению к фронту ударной волны. При нагружении кристаллографическое направление, указанное в таблице 2 соответствовало направлению вектора БуВ, - а плоскость поверхности контакта материала монокристалла с' радиоактивным покрытием, была перпендикулярна Б . '- "

Таблица 2 'жмене нив глубины проникновения атомов б3П1 ■ в монокристаллах молибдена и 14С в монокристаллах алюминия и цинка различной ориентации при прохождении плоских ударных волн

Монокристалл Ориентация Рув. ГПа <Х ■>. мкм тпах

Мо [1001 Б0 6.2

Мо (НО! 50 . 3,7

Мо ГИП 50 9.2

А1 [1101 25 80

А1 [1113 25 150 --а

гп [1010] 30 . 130

Zn ПОП] 30 105

гп [1124] 30 84

" Совокупность закономерностей протекания массопереноса в металлах при прохождении плоских ударных волн в металлах и сплава* с различными свойствами металлической матрицы позволяет констатировать,что этот процесс сильно, зависит -от особенностей кристаллической структуры. Увеличение ее дефектности приводи!' к

уменьшению глубины проникновения меченых атомов вплоть до практически полного подавления массопереноса в аморфных сплавах. Протекание в сплавах фазовых переходов, приводящих к распаду волны нагрузки, отрицательно влияет на процессы перераспределения элементов в металлических материалах при прохождении ударных волн. Вместе с тем, увеличение количества мартенситной фазы, образующейся в металлической матрице, при ударном сжатии, вызванное изменением элементного состава или понижением температуры сопровождается интенсификацией массопереноса. Уменьшение температуры оказывает значительное влияние на процессы миграции атомов только в случае определяющего влияния этого фактора на механизм пластической деформации. При деформировании металлов в ударной волне (« '~10"1Ос"') такого влияния не наблюдается, в отличие от меньших скоростей деформации, при которых в области низких температур происходит переход от скольжения к двойникованию и образованию плоских дефектов кристаллического строения. Для протекания массопереноса в монокристаллах различной ориентации в условиях прохождения плоских ударных волн характерна анизотропия, наблвдаемая в монокристаллических металлах при развитии процессов пластической деформации. Полученные результаты дают основания считать, что процесс массопереноса непосредственно связан с элементарными актами пластической деформации во фронте ударной волны. При этом для реализации массопереноса при ударном сжатии нагружения более благоприятными являются условия реализации пластической деформации•во фронте ударной волны не путем скольжения дислокаций, а при реализации сдвига.

В пятой главе приведены результаты исследоовэний физической природы массопереноса в металлах и сплавах при прохождении плоских ударных волн.

Поскольку прохождение ударной волны является быстропротекающим процессом, фиксировать процессы, непосредственно происходящие в ней, можно только по косвенным признакам, а именно: по изменению структуры и свойств материала после ударного сжатия, а также по характеристикам ударной волны. В этой связи, ' для установления механизма реализации процессов перераспределения элементов в металлических материалах в условиях ударного сжатия необходимо проанализировать основные особенности структуры и свойств материалов в области зоны массопереноса. При прохождении

ударных волн через область контакта двух металлов наблюдается

образование переходной зоны с изменяющейся концентрацией компонентов. В случае, когда ударная волна, вызывающая массоперенос имеет плоский невозмущенный фронт нарастания давления, гона перераспределения контактирующих металлов является однородной в направлениях параллельных плоскости фронта нагрузки и имеет вид близкий диффузионной зоне взаиморастворимых элементов, образованной в результате протекания объемной диффузии. Для определегая

особенностей распределения 57Fe в титане использовали методику послойного анализа с использованием КЭМ - спектроскопии. Анализ особенностей полученных спектров дает основания считать, что до глубины ~ 8 мкм в регистрируемом спектре преобладает сикотет металлического железа, а на глубинах от 12 до ЗП мкм парамагнитный пик железа в а-Т1. На глубине - 30 мкм изомерный сдвиг парамагнитной линии соответствует аналогичному сдвигу (0.34 + 0.06 мм/с), наблюдаемому на глубине -190 мкм при деформировании (¿=10гсек-1) в условиях повышенных температур. Сопоставление концентрационных профилей распределения железа в ( титане с соответствующим КЭМ-спектрами позволяет сделать заключение о том, что значительная часть железа (до 80% площади под концентрационной кривой) в зоне массопереноса характеризуется, ферромагнитным сикстетом металлического железа. Вместе с тем, в области наибольших глубин ферромагнитное железо не обнаружено. Полученные результаты несколько отличаются от закономерностей, ранее полученных при исследовании массопереноса в условиях г~10гс~1. При таком яагружении толщина слоев содержащих- ферромагнитные 'скопления пренебрежимо мала по сравнению с глубиной массопереноса. Таким образом в зоне массопереноса, образовавшейся при прохождении плоской ударной волны, на малых глубинах атомы железа находятся в комплексах, обладающих ферромагнитными свойствами; на больших глубинах,сравнимых с максимальной глубиной массопереноса, железо находится в парамагнитном состоянии. Вероятно, при достижении максимальных глубин проникновения реализуется механизм перераспределения элементов, обеспечивающий . формирование структурного состояния близкого к твердому раствору железа ь титане, обладающего парамагнитными своЯстьами.

При определении особенностей деформационной структуры зоны массопереноса обнаружено, что в зоне массопереноса цинк-медь, образованной в результате прохождения ударной волны (РуВ= 25 ГПа; т = 2.3 мкс),наблюдаются следы деформации, вид аналогичный

таким следам в меди. Условия сохранения образцов в условиях эксперимента исключали прохождение через зону массопвреноса отраженной ударной волны. Наличие следов деформации свидетельствует о том, что формирование зоны массопереноса происходит, в основном, до.разгузки материала в этой области. Близкий по физическому смыслу результат наблюдается и при прохождении плоской ударной волны большей амплитуды (Рув=40 ГПа). В области границы контакта меди и зоны Си-2п, образованной при прохождении ударной волны наблюдаются .следы динамической рекристаллизации, происходящей в этом диапазоне динамических давлений. Для протекания такой рекристаллизации в зоне массопвреноса ее формирование, в основном, должно быть завершено до разгрузки.

В большинстве случаев формирования зоны массопереноса в условиях прохождения ударных волн в этой области не наблюдается образования новых фаз. Исклмчение составляют волны нашюских конфигураций, вызывающие нестационарные пластические течения -высокоскоростные кумулятивные струи, косые ударные волны с высокой скоростью точки контакта и достаточно больших углах между соударяющимися пластинами. В других случаях образование новых фаз в области контакта двух металлов с ограниченной взаимной растворимость» требует дополнительных условий.

Цикл исследований закономерностей формирования фазового состава зоны массопереноса в области контакта двух металлов при прохождении плоских, ударных волн на примере анализа систем Ре-Си, 2п-Си, Бп-Си позволил установить, что для фшообрэзования в зоне массопереноса критическим параметром является время образования зародышей новой фазы. Размытие фронта нагрузки за счет возмущений, вызываемых шероховатостью поверхностей, концентрационными микронеоднородностями или микропорами на пути ударной волны до т > 1мкс обеспечивает зарождение и рост новых фаз в зоне массоперйноса. В других, случаях в области контакта металлов с ограниченной растворимостью наблюдается образование метастабильных пересыщенных твердых растворов. Рост фаз в условиях прохождения плоских ударных волн возможен также и при наличии их прослоек в исходном состоянии.

Таким образом, установлено, что для образования новых фаз в зоне массопереноса, сформированной при прохождении плоских ударных волн через область контакта металлов с ограниченной взаимной растворимостью необходимо либо наличие зародышей этих фа?.', згабо

внесение геометрических искажений фронта ударной волны, позволяющее увеличить длительность воздействия такого фронта на область контакта металлов.

Проведенный анализ закономерностей формирования зоны массопереноса при прохождении ударных волн дает основания считать, что протекание этого процесса в значительной мере определяется явлениями, происходящими во фронте ударной волны. В этой связи в качестве основы для теоретического описания этого процесса была использована гидродинамическая теория ударных волн в сплошных средах' Рэнкина-Гюгошю. При этом протекайте массопереноса было учтено путем введения дополнительной вязкой составляющей давления: • „, 2 ^ • (3)

vls ув "oVyi

где S - скорость -звука в несжатой среде; Вув-скорость ударной волны; V - удельный обЪем (обратная плотность); Р0, VQ-характеристики сжимаемой среды перед фронтом ударной волны, а Рув, VyB- за фронтом. Предпологалось, что зависимость Pvlg может быть представлена с использованием вязкости во фронте нагрузки п стандартным образом:

p. (4).

wis J dx * ' •

При ударном сжатии металла динамическая вязкость п зависит от многих факторов: миграции отдельных, атомов и их скоплений перемещения линейных дефектов, сдвига атомных плокостей и т. д. Вместе с тем, измерения динамической вязкости п в ударных волнах, распространяющихся в алюминии и свинце в работах Минеева показали, что в пределах динамических давлений 10 - 100 ГПа ее изменения незначительны и не превышают величин до ~ Юг-Ю3Па с. - Подставляя (4) в (3) можно получить выражение характеризующее профиль Фронта ударной волны:

УВ $

в

11 ув

(Б)

При этом предполагалось, что динамическая вязкость в области фронта ударной волны шириной був является константой.

Наличие вязкой компоненты напряжений- предусматривает, что перенос импульса в ударной волне совершается на только за счет упрупк межатомных соударений, но и за счет перемещения атомов или их комплексов во фронте. Существенно, что это перемещение не может

быть обеспечено диффузией, поскольку при этом частота атомных перескоков должна иметь пбрядок:

' )01 0' V'

(а0~ постоянная решетки), а величина ш в кристалле может достигать значений на пять порядков меньше, чем в данной оценке.

Для теоретического описания массопереноса выбран обЬем с толщиной вдоль оси X меньшей ширины фронта <5ув и рассмотрен вязкий поток частиц через этот обЪем. Поскольку вклад диффузии мал, вязкий поток массы в направлении распространения волны будет значительно превосходить его значение в противоположном направлении и можно Принять , что в этом вязком перемещении атомов они движутся 'только в одном направлении. Тогда изменение массы <5М в выбранном обЪеме за время (.и в координатной системе, связанной с кристаллической решеткой, можно записать в виде: , где р -

плотность в этом обЪеме. Уравнение перераспределения элементов в система координат связанной с кристаллом имеет вид:

О „ - -у* .- (6)

си р(х,£) ах

Решение этого уравнения должно учитывать граничные условия и может бить получено численно. Следует отметить, что для сопоставления с ¡экспериментальными данными достаточно определения ' асимптотики убывания концентрации меченых атомов после прохождения ударной волны:с (*,о>)=с (*). Интегрируя (6) по X, используя тот факт, что первоначально для х>0 сполучаем уравнение:

Используя для оценки С(Х) теорему о среднем получим:

- (х) - гг йув >(».0 • (8)

где численный коэффициент г}~ имеет величину порядка единицы. Отсюда получаем:с (ж)«.-(0)ехр(-х/^1). Таким образом концентрация исходно неоднородно распределенной компоненты после прохождения ударной волны будет характеризоваться экспоненциальным спадом. Концентрационный профиль распределения не сильно зависит от начальных условий и определяется преимущественно величиной ¿ув. Опредеделить <5ув можно из выражения:

*ув=(исГ иУВ>'?АУВ=(рУВ" ро)ио"^ув-Для ударных волн о параметрами Ру{- Р0" 10-100 ГПа, Був~(Б-7) Ю

м/с «.личина 1-Ю. мкм, что согласуется как с

у в

¡»ксцервиенгадьными данными измерений ширины Фронта ударной волн* $

металлах, так и с характерными концентрационными профилями распределения элементов в зоне массопереноса.

Таким образом, используя гидродинамическую теорию ударных волн в сплошных средах, при дополнительном учете вязких процессов во фронте ударной волны, осуществляемых за счет перемещения микроскопических элементов ' объемов среды, в которой распространяется ударная волна, удается удовлетворительно объяснить перераспределение элементов вблизи исходных- концентрационных неоднородностей. Следует отметить, что проведенный анализ не предусматривал какого-либо микроскопического механизма перераспределения атомов во фронте ударной волны. Но он показывает, что для того, чтобы динамическая вязкость в ударной волне принимала значения близкие к экпериментальным при типичных величинах ширины фронта ударной волны в металлах в таком фронте должен осуществляться массоперенос, приводящий к формированию концентрационных профилей, близких к экспериментальным.

Известно, что затухание' плоской ударной волны происходит значительно интенсивнее, чем это предусмотрено теорией. Для учета массопереноса, протекающего во фронте ударной волны, наиболее удобной является модель фронта ударной волны, предложенная М.Мейерсом. В отличие от модели Мейерса, предусматривающей только скольжение дислокаций в плокостях скольжения, для учета протекания процесса массопереноса в работе рассмотрено .перемещение краевых дислокаций путем переползания. При этом массоперенос осуществляется при -.переползании краевых дислокаций, рождающих .при движении вакансии, имеющих вектор Бюргерса, лежащий в плоскости ■ фронта ударной волны. Оценки показывают, что условия во фронте ударной волны обеспечивают возможность такого силового переползания, • не лимитированного диффузией. Учет таких процессов позволяет достичь практически полного совпадения экспериментальных и расчетных зависимостей энергии ударной волны от пройденного расстояния. г

Полученные результаты свидетельствуют о том, что массоперенос в металлических кристаллических материалах при прохождении плоских ударных волн может быть условно разделен на две стадии: перераспределение элементов за счет процессов, протекаквдх во фронте ударной волны, и развитие процессов, миграции, атомов при квазистатическом сжатии и в волне разгрузки.

Анализ возможных элементарннх актов, способных обеспечивать массоперенос показывает, что наиболее вероятным является

превалирующий вклад в этот процесс коллективных перемещений атомных скоплений во фронте ударной волны (в частности,переползание краевых дислокационных диполей, ступенек и петель межузельного типа, пачек скольжения). Процессы миграции точечных дефектов, характерные для условий деформации с меньшими скоростями, хотя и вносят некоторый вклад в формирование зоны массопереноса, но становяться существенными, по-видимому, только на стадии структурной релаксации. Такие представления не только согласуются с основными закономерностями массопереноса при ударном сжатии, но и позволяют объяснить большие значения ширины фронта ударной волны и вязкости, а. также интенсивное затухание ударных волн в нагружаемых металлах и сплавах измеренные в работах других авторов.

В шестой главе проанализировано влияние процессов массопереноса на механические свойства металлических материалов, подвергнутых взрывной обработке.

биметаллические соединения, полученные с помощью взрывной обработки находят широкое применение в машиностроении. Однако, в отличив от сварки ударом в вакууме, сварка взрывом часто приводит к охрупчиванив материала в области сварного соединения. В ряде случаев взрывное плакирование металлов не имеет альтернатив, поскольку позволяет соединять металлические поверхности больших площадей, что недостижимо другими методами. Проблемам образования интерметаллидов в области контакта свариваемых взрывом металлов посвящено много работ. Вместе с тем, задача уменьшения образования химических соединений не является единственной. Ками исследованы особенности структуры и механических свойств соединений XI8HI0T-ct.45-XI8HI0T, ХШГ15- ст.45-ХГ4АГ15, Х13АП2-ст.45-ХТ8АГ12, полученных сваркой взрывом. Правильно выбранные режимы взрывной обработки позволяют значительно уменьшить количество образующихся интерметаллидов, однако,структурные исследования металла в области соединения Х18Н10Т-ст.45-Х18Н10Т показали, что в этой зоне кроме образования умеренного количества интерметаллидов наблюдается обеднение металлической матрицы легирующими элементами (Сг,. N1). Этот процесс определяется протеканием массопереноса и связан, по1 видимому, с сегрегационными процессами хрома и никеля, приводящими к возрастанию концентрации этих элементов в дефектах упакоьки. При наследовании механических характеристик полученного биметалла применена методика, предусмотренная теорией хрупкого разрушения. Результаты механических испытаний соединения XI8HI0T-ct.45-XI8HÎ07

показывают, что интервале температур 420 °С - -140 °С разрушение осуществляется по ст.45. Анализ изломов свидетельствует о плавном переходе от вязкого ямочного к • транскристаллитному хрупкому разрушению. При достижении температуры Т~ -I40 °С разрушение происходит по зоне сварного шва, обедненной легирующими элементами. Для устранения концентрационной неоднородности в этой области соединение XI8HT0T- CT.45-XISHI0T подвергали термической обработке Т = 650 °С, позволяющей добиться равномерного распределения хрома и никеля. Это позволило понизить температуру хрупкого разрушения соединения . ХТ8НТ0Т-ст.4Б-Х18Н10Т до Т<-196 °С и увеличить коэффициент запаса. вязкости с 1.36 до 1.8. Характерно, что разрушение при этом происходило по ст.45, т.о. зона соединения перестает быть областью вероятного хрупкого разрушения. Таким образом учет особенностей массопереноса позволил выбрать путь устранения его негативных последствий.

Аналогичные исследования соединений Х14АГ15-ст.45-Х14АГ15 и Х13АИ2-ст.45-Х18АГ12 позволили правильно выбрать оптимальный состав легированной стали. В "биметаллах такого типа, получаемых сваркой взрывом, целесообразно использовать азотистые стали, с умеренным содержанием азота. Таким образом, показано, что процессы миграции атомов легирующих элементов в области контакта многокомпонентного соединения, полученного сваркой взрывом являются одним из факторов, определяющих уровень механических характеристик соединений, получаемых сваркой взрывом. Их учет и регулирование путем.изменения исходного состава ' или последующей .термообработки удается достигать высокого уровня эксплуатационных характеристик.

Проведены исследования механических свойств конструкционных материалов после динамического легирования порошковыми материалам. Проникновение порошковых материалов в металлическую матрицу при реализации эффекта "сверхглубокого проникания", обнаруженного О.В.Романом и С.М.Ушеренко с сотрудниками, приводит к формированию каналов с убывающим распределением концентрации элементов частиц в радиальном направлении от центра канала. Достижение возможности динамического легирования порошковыми материалами металлов на глубину КГ2- 10"'м обеспечивает перспективность использования такой обработки для увеличения эксплуатационных характеристик сталей, работающих в режиме износа. Каналы, образованные частицами при динамическом легировании, * в большинстве случаев имеют кристаллическую решетку когерентную с окружакщвй матрицей. В то ж?

время сравнительно высокая плотность некогерентных частиц, прекративших движение в металлической матрице на различных глубинах, оказывает значительное влияние на дислокационную структуру после импульсного нагружения и последующей термообработки . _ Такие порошковые частицы в обЪеме металлической матрицы предотвращают развитие двойникования и приводят к равномерному распределению дислокаций, образующихся при действии хвостовой части порошковой струи. При этом одним из факторов, оказывающих сильное влияние на механические свойства металлов после динамического легирования - упрочнение материала в области зоны массопереноса, обуславливающего расходование порошковых частиц при их движении в сталях. Анализ достигнутых после обработки механических характеристик стали Р6М5 на основе теории хрупкого разрушения показывает, что динамическое ' легирование приводит к повышению опасности -хрупкого разрушения при низких температурах или при наличии концентраторов напряжений. Результаты наших экспериментов показывают, что несмотря на достижение повышенных механических характеристик в условиях эксплуатации, целесообразно продолжить исследования, направленные на увеличение пластичности динамически легированных сталей.

При исследовании массопереноса в условиях формирования различного рода детонационных покрытий показано, что учет закономерностей этого процесса позволяет управлять им в условиях взрывной обработки. Это обеспечивает предотвращение образования охрупчивахщих фаз в области контакта покрытие-матрица.

Особенности формирования зоны массопереноса при нанесении детонационных покрытий дали основания считать, что перспективным путем нанесения покрытий при использовании порошковых материалов может быть динамическое прессование таких материалов на металлической подложке при прохождении плоской ударной волны. На основе анализа структуры порошковых покрытий цинка и олова, нанесенных на медь методом динамического прессования (Рув~ 25 ГПа) установлено, что пористость получаемых покрытий в данном случае не превышает 5$, что значительно меньше, чем достигается, обычно при нанесении детонационых покрытий (I5-20S). Анализ зоны перераспределения элементов покрытия и металлической матрицы дает основания считать, что при исходном размере порошковых частиц не превышающем 200 мкм и Рув< Ркр в переходной зоне интерметаллиды , не образуются (где Ркп-динамическое давление, вызывающее остаточный

разогрев, приводящий к плавлению сжимаемого материала).

Особый интерес вызывает обнаруженная возможность формирования очаговых многокомпонентных покрытий, наносимых методом динамического прессования. При этом используется смесь различных порошков, сжимаемая плоской ударной волной, трансформирующейся при взаимодействии со слоем такой смеси, в коническую сходящуюся волну. Такая схема обеспечивает высокую плотность ~100Я материала покрытия, формирование необходимой переходной зоны мадсопереноса и достижение желаемого элементного состава- приповерностного слоя. Результаты , исследований особенностей масйопереноса в ; условиях такого ударного сжатия дают основания считать, что, с помощью такого метода в перспективе могут быть получены покрытия практически любых составов.

ВЫВОДЫ

1. В результате исследований Особенностей массопереноса в металлах при прохождении ударных волн с различной амплитудой установлено, что перераспределение элементов покрытия и металлической матрицы осуществляется, при прохождении волн сжатия с динамическими давлениями, превышающими динамический предел упругости соответствующих материалов. Увеличение амплитуды волн сжатия от I до 94 ГПа приводит к интенсификации массопереноса.

2. Концентрационные профили распределения элементов 'покрытий в металлической матрице, сформировавшиеся в результате прохождения ударных волн имеют вид: С = С0ехр(-лХп),

где п = 0.8-1.4 для плоских ударных волн;

п = 1.2-2.0 для расходящихся ударных волн; п = 0.8-1.0 для сходящися ударных волн;

3. На примере массопереноса никеля в меди при прохождении плоских ударных волн установлено, что увеличение поверхностной концентрации проникающего элемента не изменяет аналитический вид концентрационного профиля его распределения в зоне массопереноса, но приводит к' увеличению глубины его проникновения. Увеличение толщины покрытия, превышающего 0.3 мкм не приводит к изменению зоны массопереноса.

А**

4. На примере массопереноса в никеле и Ре в железе при прохождении плоских ударных волн- показано, что перераспрвде.чиние ■атомов (или групп атомов) в условиях ударного сжатия происходит нь

только в приповерхностных областях, но и в обЪеме металлической матрицы

5. При взаимодействии высокоскоростных потоков металлов (свинец, медь, галлий) или порошковых материалов (КС, ШЗ, !Г1В0,

Мой!) с металлической матрицей (Ре, А1, Ст.45, Ст.З, Р6К5) глубина массопереноса в зоне контакта материалов значительно меньше, чем при прохождении ударных волн. Формирование новых фаз наблюдается только в областях турбулентного возмущения высокоскоростных потоков Б. Анализ закономерностей формирования зоны массопереноса в системах медь-цинк, медь-олово, медь-железо, железо-свинец дает основания считать, что при отсутствии в области контакта различных металлов зародышей новых фаз, необходимым условием фазообразования при прохождении плоских ударных волн является искажение фронта нагрузки до Лг>Ю~б с.

7. Обнгфукено, что увеличение плотности дислокаций в исходном состоянии'металлической матрицы при прохождении плоских ударных волн, как и при меньших скоростях деформации (10г-104 с-1) приводит к уменьшению глубины массопереноса никеля и железа в медь

8. Уменьшение исходной температуры меди и никеля при прохождении плоских ударных волн (¿~Ю10 с-1) не оказывает влияние на Формирование зоны массопереноса, в то время, как при высокоскоростной деформации (г= •10?-Ю7 с-1) в интервале температур 95-150 К наблюдается интенсификация процессов перераспределения элементов

9. В аморфном сплаве . Со50Н1 Ре531пВ1б , в отличие от всех Исследуемых в работе металлов и сплавов, в условиях прохождения плоской ударной волны амплитудой 12 ГПа протекания массопереноса никеля не обнаружено

10. Результаты исследований массопереноса никеля и углерода в монокристаллах молибдена, цинка и алюминия дают основания считать, что для этого процесса в условиях прохождения плоских ударных волн характерна анизотропия, наблюдаемая при развитии процессов пластиче ской двф: »рмации.

11. Формирование зоны массопереноса в металлах при прохождении ударных волн определяется процессами перераспределения элементов в области Фронте нагрузки ударной волны и последующими 1*?ла«№?>ционнымк процессами, связанными с возвратом кристаллической

рчветки к рачнонеоному состоянию

I". Наблюдаемые концентрационные профили р-.спред» элемент'"*

Г.0

покрытия в основном материале и особенности затухания ударной волны в никеле находят удовлетворительное объяснение на основе гидродинамической теории массопереноса в кристаллах при прохождении плоских ударных волн.

13. Особенности распределения проникающих элементов в зоне массопереноса, образовавшейся при ударном сжатии, и закономерности затухания плоских ударных волн в металлах дают основания считать, что в' таких условиях процессы перераспределения элементов происходят не только за счет миграции отдельных точечных дефектов, а и путем колективных перемещений атомных ейоплений (дислокащюнннх диполей, петель, ступенек и др.)

14. Основные закономерности, присущие массопереносу в металлах и сплавах при прохождении ударных волн, и представления о физической природе этого явления использованы • для создания и усовершенствования технологий взрывной обработки металлических материалов

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЁРГАВДИ ОПУБЛИКОВАНО Б' РАБОТАХ:

1. Герцрикен Д.С., Зворыкш Л.О., Коваль В.Н., Фальченко В..М. Массоперенос в железе и его сплавах при низкотемпературных импульсных воздейсгвиях//Доклады АН УССР, сер.А, N6,1982, с.52-55

2. Зворыкин Л.О., Ревуцкий В.М., Мазанко В.Ф..Михайлов' В.В., Фальченко В.М. Влияние параметров импульсного разряда нараспределение элементов электродов в электроискровых покрытиях//Электронная обработка материалов,1983,N1,.с.22-24

3. Зворыкин Л.О., Мазанко В.Ф. Исследование подвижности «томов ь металлах при электроискровом воздействии//В кн..'Новые порошковые и композиционные неорганические материалы, Киев. ИБМ АН yCCF, 1983, С.53-58

4. Зворыкин Л.О., Фальченко В.М. О природе массопереноса в твердых телах в условиях импульсного нагружения// Инженерно- физический журнал, 1983, т.45, N1, с.118-123

5. Зворыкин Л.О., Мазанко В.Ф., Пашков П.О., Порозов Ю.В., Фальченко В.М. Влияние амплитуды ударной волны на подвижность атомов в молибдене и меди//Металдоф«зика,1984, т.в, И, o.IIS-ПЗ

6. Зворыкин Л.О., Мазанко В.Ф. Подвижность атомов при еозде- йстбии электрического разряда высокой мощности// В кн.:Стру- ктура и свойства порошковых материалов на основе тугоплавких металлов к соединений, Киев. ИПМ АН УССР,1984, с.122-125

7..Зворыкин Л.О., Фальченко В.М. Особенности перераспределения элементов в металлах при прохождении ударных волн// В кн.:Труды И Всесоюзной конференции Лаврентьевские ' чтения по математике, механике и физике. Киев, 1985, с.92-94

8..Зворыкин Л.0., Фальченко В.М. Влияние импульсных нагружений высокой мощности на процесс миграции атомов в металллах// Вестник АН УССР, 1986,N10, с.42-48

9. Зворыкин Л.0., Фальченко В.М. Особенности миграции атомов в металлах при прохождении ударных волн// В кн: Динамическая прочность и трещиностойкость конструкционных материалов, Киев, 1986, с.153-165

10. Зворыкин Л.0..Румянцев Б.В..Фальченко В.М..Филатов A.B. Влияние остаточной деформации на массоперенос никеля в меди при прохождении ударннх волн//Металлофизика, 1987, т.9, N4, с.ПО

11. Зворыкин Л.О., Фальченко В.М. Влияние импульсных нагрузок на подвижность атомов в металлах и .сплавах//Механизмы упрочнения и свойства металоов.-Тула:ТулПи, 1988, с.141-146

12. Зворыкин Л.0..Румянцев Б.В..Фальченко В.М.,Филатов A.B.

ОсобеifflocTH перераспределения атомов в системе N1-63N1-N1 при прохождении ударных волн//Металлофизика, 1989, т.9, N3, с.123-124

13. Зворыкин Л.0..Румянцев Б.В..Фальченко В.М..Филатов A.B. Закономерности изменения зоны массопереноса в металлах, деформированных взрывом, в различных условиях деформации//Тр. IV Вс-есоюзн. совещ.по детонации. Доклады, Т.Т. М., 1938, с.90-96

14. Дерентович Г., Врубель Ю., Зюлковски 3..Фальченко В.М., Зворыкин Л.О. Влияние свойств соединений Gu-Nl-Cu на характер изменений ЭДС при их ударном нагружении//В кн.: Доклады IV Всесоюзного совещания по детонации. Телави-1988, т.2, с.170-175

15. Falczenko V.M., Zworykln L.O., Derentowlcz К., Wrobel J., Zlolkowski Z. Wplyw wlasclwoscl zlacz Cu-Ni-Cu na Charakter zmlan SEM prey Ich uderzeniowym obciaaenlu//BWAT.-XXXVIII, nr.10(434), 1988,- p.43-50

Г6. Zvorykin L.O., Fal'chenko V.M., Filatov A.V.The peculiarities of elements redistributions lraietals during shock wave transmlRalonB//II1gh pre&sure and technology. Proceeding. XI th AIRIFT International Conference. V.4, -Kiev: Naukova Diunka, 1989. P.I 59-16i

17. Зеорнкин Л.О., Фальченко В.М;, Филатов A.B. Маееопереяоо в тгнлтх при прохождении ударньх волн.-Киев, 1939, 5?, (Препринт

1-3 »Ок

18. Волоссвич П. Ю., Засимчук И. К., -Ззорыкин Л. О.,. Фальченко В. М. Мас-соперенос- и структурные изменения в металлах при прохождении ударных волн с. различными параметрами //Металлофизика, 1989, т. 11, N3, с. 126—129.

19. Зворыкин Л. О., Румянцев Б. В., Фальченко В. М., Филатов А.'В. Влияние шероховатости поверхности на массопереяос в меди Под действием ударных волн//Металлофизика; 1991, т. 13, N11, с. 126—128.

20. Бъчваров И., Ззорыкин Л. О., Мешков Ю. Я., Фарфароза С., Фальченко В. М., Шевченко А. В. Особенности разрушения биметаллического соединения сталь 45—сталь" Х18Н10Т, полученного сзаркой взрызом.— Металлофизика, 1991, т. 13, N41, с, 3—8. ( ^ .

21. Зворыкин Л. О., Лободюк В. А., Румянцев Б. В., Фальченко В. М., Фи-, латов A.B. Особенности массопереноса и структурных изменений в сплавах Со— № при прохождении ударных волн//Иззестия АН СССР, сер. Металлы, 1991, N4, с. 458—160.

22. Егоров Б. В., Ззорыкин Л» О., Тимофеев Б. .Б. Гидродинамическая теория аномального массопереноса з твердых телах при ударных воздействиях//Металлофизика, 199!, т. 13, N4. с. 124—127.

23. Дубнк А., Зворыкин Л. О., Овсик Я., Фальченко В. М., Филатов А. В. Особенности массопереноса железа и никеля з металлах при прохождении ударных волн, сгенерированных импульсным излучением/'/Металлофизика, 1992, т. 14, N4, с. 46—49.

24. Timofeev В. В., Egorov В. V., Zvorykin L. О. Hydrodynamic theory of shock inuced anomalous mass transfer in solids Ц Shock compression of condensed matter (Ed. S. C. Schmidt, R. D.JDick, J. W. Forbes, D. G. Tasker), 1992.— -Elsevier Scienee Publishers В. V., p. 237—240.

25., Зворыкин Л. О., Ушеренко С. М., Шилкин В. А. Особенности распределения 14С в стали 45, обработанной высокоскоростным потоком частиц W(C+!4C) + +№// Металлофизика, 1992, т. 14,— N12, с. 80—82.

26. Зворыкин Л. О., Ушеренко С. М. Структурные особенности стали 45, обработанной высокоскоростным потоком порошковых частиц//Металлофизика, 1993,—т. 15,—N1, с. 92—95.

27. Зворыкин Л. О., Фальченко В. М., Румянцев Б. В., Филатов^А. В. Массо-перенос никеля в монокристаллах молибдена при прохождении ударных волн// Металлофизика — 1993,—т. 15.— N3, с. 97—98.

Подписано к печати 18.04.94. Формат 60Х84"|8.

Офсетная печать. Бумага тип. Усл. печ. л. 1,86. Зак. 390к. Тир. 100.

ГППГТ ГКНТ, 252171, Киев, ул. Горького, 180.