Структурная деградация поверхностей железоуглеродных сплавов и алюминия при высокоскоростных ударах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1. Метеороидные потоки естественного происхождения.

1.2. Техногенные частицы космический мусор).

1.3. Высокоскоростное соударение.

Физика явления.

1.4. Изменение структуры металла под действием ударных волн.

1.5. Методы имитации воздействия микрометеороидов в лабораторных условиях.

1.6. Метод электростатического ускорения.

1.7. Выводы по литературному обзору.

Глава 2. Методика исследования морфологии поверхности железоуглеродных сплавов и алюминия при ударе высокоскоростных частиц микронных размеров.

2.1. Материалы исследования.

2.2. Метаемые частицы.

2.3. Установка для ускорения частиц микронных размеров.

2.4. Методика металлографического исследования образцов.

Глава 3. Исследование изменения морфологии поверхностей железоуглеродных сплавов и алюминия при высокоскоростных соударениях.

3.1. Результаты имитационных исследований.

3.1.1. Воздействие высокоскоростных частиц микронных размеров на морфологию поверхности стали Х12Г20В.

3.1.2. Воздействие высокоскоростных частиц микронных размеров на морфологию поверхности чугуна СЧ—15.

3.2. Результаты исследования морфологии поверхности алюминиевых образцов, экспонировавшихся в открытом космосе.

Глава 4. Обсуждение результатов.

Исследование околоземного пространства с помощью искусственных спутников и полеты космических кораблей показали, что внешние поверхности космических аппаратов постоянно подвергаются воздействию потоков метеороидных частиц [1].

Воздействие метеороидных потоков на элементы конструкций космических аппаратов рассматривалось еще до того, как на орбиты были выведены первые космические корабли. Более того, до начала космических полетов метеороидной опасности придавалось очень большое значение [2, 3].

Однако реальная величина метеороидной опасности оказалась существенно преувеличенной в смысле непосредственного пробоя стенки космического летательного аппарата. И хотя потоки микрометеороидных частиц не представляют высокой опасности для конструкции космического аппарата, но воздействие столь малых частиц в течение длительного периода времени приводит к эрозии поверхности космического корабля, в частности, к повреждению оптических систем, фотопреобразователей солнечных батарей, терморегулирующих покрытий и т.д. Таким образом, для космических аппаратов с длительным сроком существования, космических орбитальных станций, проектируемых обитаемых комплексов на Луне [4], планетах и других космических объектов становится актуальной задача защиты конструкций и отдельных ее элементов от воздействия микрометеороидных потоков.

Освоение четвертой среды обитания повлекло за собой и все отрицательные стороны техногенной деятельности человека. За неполные

50 лет освоения космоса на орбитах разных высот побывало несколько десятков тысяч объектов различного назначения. Запуск каждого космического аппарата оставляет свой след: это и остатки ракетоносных систем, и оборудование с потерпевших неудачу экспериментов, спутники и космические аппараты, выработавшие свой ресурс, но вовсе не исчезнувшие с орбит бесследно [5]. Все эти фрагменты формируют вокруг Земли поток частиц искусственного происхождения — так называемого космического мусора [5 — 8].

Особенно значимыми с точки зрения жизнеспособности космического аппарата является воздействие на него микрометеороидных потоков и потоков мелких фракций частиц космического мусора. Следствием воздействия микрометеороидных потоков и потоков техногенных частиц является образование на поверхности конструкции кратеров, размеры и структура которых зависят как от свойств налетающей частицы, так и от свойств базового материала [1, 9, 10]. Кроме того, это воздействие приводит к постепенному, а иногда и к резкому, изменению поверхностных свойств материалов, рабочих характеристик приборов и, следовательно, уменьшению надежности их работы. Требования долговечности и надежности работы таких изделий и приборов являются главными при их эксплуатации, поэтому вопросы устойчивости их по отношению к воздействию ударов высокоскоростных частиц микронных размеров имеют первостепенную важность. Для разработки и создания устойчивых к микрометеороидному воздействию приборов, устройств и элементов конструкций, а также для прогнозирования их поведения в реальных условиях эксплуатации необходимы лабораторные исследования, включающие в себя различные аспекты проблем взаимодействия высокоскоростных частиц микронных размеров с теми или иными материалами и элементами устройств.

Данная работа является продолжением начатых еще в 60-х годах XX века в ряде научных институтов страны (Институт металлургии и материаловедения им. A.A. БайковаРАН, Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН, Институт космических исследований РАН, НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцина МГУ) исследований высокоскоростного соударения частиц микронных и субмикронных размеров на структуру и свойства различных материалов.

Изучение процесса кратерообразования как в лабораторных условиях, так и в натурных экспериментах может дать много информации о физических процессах, протекающих при высокоскоростном соударении. Кроме того, полученная информация представляет самостоятельный интерес, имеющий прикладное значение в развитии ряда направлений новой техники. Так, например, исследования явлений в твердом теле при высокоскоростном соударении, подобному микрометеороидному воздействию, могут быть использованы для разработки материалов различных узлов импульсных термоядерных установок [11], а также быть полезной в изучении процесса генезиса металлических и других частиц на поверхности Луны и планет [12, 13].

Таким образом, в работе проведено исследование морфологии кратеров различной природы с целью изучения взаимодействия твердых микрочастиц с поверхностями различных материалов при высокоскоростном ударе.

Выводы по работе.

Впервые имитационными и натурными исследованиями, выполненными на борту космической орбитальной станции "Мир", показано, что около кратеров, образованных в металлических материалах от ударов микрометеоритов, возникают протяженные микрократерные поля, природа которых связывается с диссипацией ударных волн на структурно-фазовых неоднородностях поверхностных слоев материала мишени.

2. Имитационными исследованиями показано, что при скоростях летящих частиц свыше 10 км/с, наблюдается неоднородное распределение материала частицы в образующемся в мишени кратере и возникаемом около него бруствере.

3. Выполнены исследования строения трех видимых кратеров от микрометероитов в алюминиевых мишенях, экспонировавшихся на внешней поверхности станции "Мир" в течение 1,5 года. Установлено, что в двух исследованных кратерах не обнаружено присутствие инородных элементов тяжелее кислорода. В соответствии с теорией Я.Б. Зельдовича и Ю.П. Райзера это могло произойти при скоростях соударения свыше 14 км/с, при которых полностью испаряется материал микрометеорита.

В третьем кратере обнаружено присутствие железа, которое могло попасть в алюминий при ударе железосодержащего микрометеороида с относительной скоростью меньше 10 км/с. Природа этого железа связана с ударным легированием алюминиевого образца.

4. Обнаружено, что при скользящем соударении микрометеороида с относительной скоростью свыше 14 км/с с поверхностью металла образуется высокотемпературная высоко плотная плазма, которая при распространении вдоль поверхности образца вызывает образование протяженных поверхностных дефектов, подобным тем, что образуются в термоядерных установках в результате возникновения униполярных дуг на поверхностях материалов.

5. Проведена оценка загрязнения поверхности космической орбитальной станции "Мир" техногенными частицами размером менее 100 мкм, которая составляет 100 частиц/см2-год.

1. Зиновьева Н.Г., Родэ О.Д., Кузин Г.А., Кондратьева М.Р., Базилевский А.Т. Микрократеры на мишенях экспонированных на околоземной орбите. Космич. исслед., 1990, т. 28, в. 1, с. 117-124.

2. Беляков И.Т., Борисов Ю.Д. Технология в космосе. М.: Машиностроение, 1974, 292 с.

3. Крошкин М.Г. Физико-технические основы космических исследований. М.: Машиностроение, 1969, 288 с.

4. Акишин А.И., Новиков JI.C. Электризация космических аппаратов. М.: Знание, 1985, 64 с.

5. Князева JI. Большая чистка. Вокруг света. 2002, №1, с. 60-65.

6. Микиша A.M., Рыхлова JI.B., Смирнов М.А. Загрязнение космоса. Вестник РАН, 2001, т. 71, № 1, с. 26-31.

7. Новиков JI.C. Частицы космического мусора в околоземном пространстве и методы их изучения. Инженерная экология, 1999, № 4, с. 10-19.

8. Новиков JI.C., Романовский Ю.А. Космическая экология: антропогенные воздействия на околоземную среду. Инженерная экология, 1999, № 3, с. 11-21.

9. Акишин А.И., Блюдов Е.В., Кирюхин В.П., Черняк Ю.Б.

10. Некоторые вопросы моделирования микрометеоритной эрозии. В сб. Модель околоземного космического пространства. Под ред. С.Н. Вернова, М.: Изд-во МГУ, 1968, т. 2, ч. 1, с. 178-209.

11. Калин Б.А., Скоров Д.М., Якушин В.Л. Проблемы выбора материалов для термоядерных реакторов. М.: Энергоатомиздат, 1985, 184 с.

12. Атлас микрофотографий поверхности частиц лунного реголита. Изд-во: Академия, Прага, 1979, 74 с.

13. Сурков Ю.А., Назарова Т.Н., Высочкин В.В. Метеоритное вещество у поверхности Луны. В сб. Модель космоса. М.: Изд-во МГУ, 1983, с. 54-63.

14. Редерер X. Частицы и поля в космической окрестности Земли. Земля и Вселенная, 1970, № 4, с. 12-15.

15. Обрубов Ю.В. Взаимосвязь астероидов, комет и метеорных потоков. На www.astronet.ru.

16. Волощук Ю.И., Кщеев Б.Л., Подаляка В.А. Метеорный комплекс вблизи орбиты Земли. Астрономический вестник, 1995, т. 29, с. 439-449.

17. Калюжный Б. Тайна зарождения жизни на Земле. Спектр, №18, 1999, на www.spectr.org.

18. Фесенков В.Г. Об оптических свойствах пылевого облака вокруг Земли. Астрономический журнал, 1964, т. 41, вып. 6, с. 1001-1006.

19. Тирский Г.А. Взаимосвязь космических тел с атмосферами Земли и планет. На www.astronet.ru.

20. Бронштэн В.А. Метеоры, метеориты, метеороиды. М.: Наука, 1987, 176 с.

21. Холшевников K.B. Пылевые околопланетные комплексы. На www.astronet.ru.

22. Бусарев В.В. Метеоры и метеориты. Hawww.selena.sai.msu.ru.

23. Ульянов A.A. Метеоритика, метеориты и присутствующие в них минералы. Соросовский образ, журнал, 2001, №2, с. 55-61.

24. Назарова Т.Н. Микрометеориты. В сб. Модель околоземного космического пространства, 1968, т. 1, с. 54-63.

25. Зиновьева Н.Г. Петрология обыкновенных хондритов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук. М. 2001, 67 с.

26. Урусов B.C. Естественный отбор минеральных видов. Соросовский образ, журнал, 1998, № 4, с. 50-56.

27. Yaroshevsky A.A. and Bulakh A.G. Natural selection of mineral specied. In: Advanced Mineralogy. Ed. A.S. Marfutin. N.Y.: Springer, 1994, V. l,p. 27-36.

28. Булах А.Г. Что такое минерал. Соросовский образ, журнал, 1999, №6, с. 68-74.

29. Вдовыкин Г.П. Алмазы в метеоритах. М.: Наука, 1970, 128 с.

30. Хоровиц. Поиски жизни в Солнечной системе. Пер. с англ. В.А. Отрощенко. Под. ред. М.С. Крицкого. М.: Мир, 1998, 187 с.

31. Божокин C.B. Свойства космической пыли. Соросовский образ, журнал, 2000, № 6, с. 72-77.

32. Угроза с неба: рок или случайность. Под общей ред. ак. А.А.Боярчука. М.: Космоинформ, 1999, 220 с.

33. Simon C.G., Hunter J.L., Griffis D.P., Mistra V., Ricks D.A.,

34. Wortman J.J. and Brownlee D.E. Elemental Analyses of Hypervelocity Microparticle Impact Sites on Interplanetary Dust Experiment Sensor Surfaces. In: www.larc.nasa.gov.

35. Розанов А.Ю. Цианобактерии и, возможно, низшие грибы в метеоритах. Соросовский образ, журнал, 1996, № 11, с. 61-65.

36. Додд Р.Т. Метеориты: Петрология и геохимия: Пер. с англ. М.: Мир, 1986, 384 с.

37. Космический мусор: проблема и пути ее решения. В 3 т. Т. 1. B.JI. Иванов, В.А. Меньшиков, JI.A. Пчелинцев, В.В. Лебедев. М.: Патриот, 1996, 303 с.

38. Прилукова JI. Проблемы засорения космического пространства. На www.space.com.ua.

39. Novikov L.S., Voronov К.Е., Semkin N.D. et al. Measurement of Solid Microparticle Flux in Geosynchronous Orbit. ESA Symp. Proc. on 'Environment Modelling for Space-based Applications', ESTEC, Noordwijk, NL, 18—20 September 1996 (SP-392), p. 343—348.

40. Околоземная астрономия. Космический мусор. Под ред. А.Г. Масевич. М.: Космоинформ, 1998, 278 с.

41. Schonberg W.P. Hole Size and Crack Length Models for Spacecraft Walls Under Oblique Hypervelocity Projectile Impact. Aerospace Science and Technology, 1999, 3 (7), p. 461-471.

42. Schonberg W.P. Onset of Petalling in a Thin Spacecraft Wall Perforated by an Orbital Debris Particle. J. of Aerospace Engineering, 1998, 212 (G6), p. 407-414.

43. Дмитриев A.H. Что происходит на нашей планете Земля.1. На www.space.com.ua.

44. Бондарь М.П. Особенности формирования структуры при больших высокоскоростных деформациях. Физич. мезомеханика, 1998, № 1, с. 37-54.

45. Belov G.V., Golubev V.K. and Yutkina N.A. Damage of a Steel Plate from Hypervelocity Impact. Combustion Explosion and Shock Waves, 1997, 33 (1), p. 100-102.

46. Kadono T. Hypervelocity Impact into Low Density Material and Cometary Outburst. Planetary and Space Science, 1999, 47 (3-4), p. 305-318.

47. Murr L.E., Garcia E.P., Ferreyra E., Niou C.S., Rivas J.M. and Quinones S.A. Micro structural Aspects of Hypervelocity Impact Cratering and Jetting in Copper. J. of Materials Science, 1996, 31 (22), p. 5915-5932.

48. Rolsten R.F. and Schmitt R.A. Hypervelocity Impact of Radioactive Projectiles into Stainless Steel and Aluminium. J. of Appl. Phys., 1963, V. 34, № 10, p. 3010-3012.

49. Sil'vestrov V.V., Plastilin A.V., Pai V.V. and Yakovlev I.V. Protective Properties of Shields of Ceramic/Aluminum Composite for Hypervelocity Impact. Combustion Explosion and ShockWaves, 1999, 35 (3), p. 331-337.

50. Динамика удара. Под ред. С.С. Григоряна. М.: Машиностроение, 1985, 294 с.

51. Высокоскоростные ударные явления. Пер с англ. В.А. Васильева и др. : Под ред. В.Н. Николаева. М.: Мир, 1973, 536 с.

52. Киселев С.П., Киселев В.П. О механизме сверхглубокого проникания частиц в металлическую прграду. Прикладная механика и техническая физика, 2000, т. 41, № 2, с. 37-47.

53. Cherepanov G.P. Superdeep Penetration. Engineering Fracture Mechanics, 1994,47 (5), p. 691-713.

54. Алексенцева C.E., Кривченко A.JI. Анализ условий сверхглубокого проникания порошковых частиц в металлическую матрицу. Журнал технической физики (ЖТФ), 1998, т. 68, вып. 7, с. 124-125.

55. Бекренев А.Н., Кирсанов Р.Г., Кривченко A.JI. Особенности легирования инструментальных сталей при сверхглубоком проникновении высокоскоростных порошковых частиц. Физика и химия обраб. материалов, 1997, №3, с. 78-81.

56. Обухов JI.B. Разработка метода и изучение микрометеоритного воздействия на материалы. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. М., 1974, 137 с.

57. Зарицкий Н.С., Лариков Л.Н., Погорелов А.Е., Фальченко В.М. Влияние дефектов кристаллического строения на параметры массопереноса в никеле при импульсном воздействии излучения ОКГ. ДАН УССР, 1979, № 9, с. 740-743.

58. Янушкевич В.А. Воздействие лазерной плазмы на объемные свойства непрозрачных кристаллов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. М., 1982, 26 с.

59. Бондаренко Г.Г., Иванов Л.И., Янушкевич В.А. Природа структурных нарушений в алюминии при воздействии гигантских импульсов ОКГ. Физика металлов и металловедения, 1973, т. 36, № 4, с. 879-880.

60. Иванов Л.И., Литвинова H.A., Янушкевич В.А. Глубина образования ударной волны при воздействии лазерного излучения на поверхность монокристаллического молибдена. Квантовая электроника, 1977, т. 4, № 1, с. 204-206.

61. Дерибас A.A. Физика упрочнения и сварки взрывом, Новосибирск: Наука, 1980, 421 с.

62. Мезох З.И., Янушкевич В.А., Иванов Л.И. Образование точечных дефектов в Ni при воздействии гигантских импульсов ОКГ. Физика и химия обраб. материалов, 1971, № 4, с. 163-165.

63. Иванов Л.И., Янушкевич В.А. Воздействие импульсного лазерного излучения на объемные свойства металлических и полупроводниковых материалов. Физика и химия обраб. материалов, 1977, № 6, с. 3-9.

64. Янушкевич В.А. Возможность имитации радиационных повреждений воздействием ударных волн. Физика и химия обраб. материалов, 1978, № 3, с. 14-22.

65. Иванов Л.И., Литвинова H.A., Янушкевич В.А. Аномальное распределение плотности дефектов, образующихся впоглощающем материале при лазерном облучении. Физика и химия обраб. материалов, 1977, № 2, с. 3-6.

66. Иванов Л.И., Казилин Е.Е., Платов Ю.М., Симаков С.В., Янушкевич В.А. Образование пор в алюминии при лазерном воздействии. Физика и химия обраб. материалов, № 5, 1985, с. 25-27.

67. Vogel К. and Backlund P. Application of Electron and Optical Microscopy in Studying Laser-Irradiated Metal Surfaces. J. of Appl. Phys., 1965, V. 36, № 12, p. 3697-3701.

68. Солитоны в действии. Под ред. К. Лонгрена и Э. Скотта. Пер с англ. Под ред. ак. А.В. Гапонова-Грехова и Л.А. Островского. М.: Мир, 1981, 312 с.

69. Янушкевич В.А. Критерий возможности образования ударных волн при воздействии лазерного излучения на поверхность поглощающих конденсированных сред. Физика и химия обраб. материалов, 1975, № 5, с. 9-11.

70. Янушкевич В.А. Закономерности образования точечных дефектов в ударной волне малой амплитуды. Физика и химия обраб. материалов, 1979, № 2, с. 47-51.

71. Das S.K. and Kaminsky М. Radiation Blistering in Metals and Alloys. In: Radiation Effects on Solid Surfaces. Advanced in Chemistry Series 158, American Chemical Society, Washington, D.C., 1976, p. 112-170.

72. Дидык А.Ю., Семина В.К., Степанов А.Э., Суворов А.Л., Чеблуков Ю.Н., Халил А. Изменение структуры поверхности Ni, W и хромоникелевой стали, облученной ионами криптона высоких энергий. Перспективные материалы, 2001, № 1, с. 58-64.

73. Ударные волны и явления высокоскоростной деформации металлов. Под ред. Г.И. Энштейна. М.: Металлургия, 1984, 482 с.

74. Обухов Л.В. Янушкевич В.А. Метание макрочастиц с помощью гигантских импульсов ОКГ. Журнал техничской физики, 1978, т. 48, № 12, с. 2559-2565.

75. Акишин А.И., Новиков Л.С. Методика и оборудование имитационных испытаний материалов космических аппаратов. М.: Изд-во МГУ, 1990, 98 с.

76. Акишин А.И., Новиков Л.С. Методы имитации воздействия окружающей среды на материалы космических аппаратов. М.: Изд-во МГУ, 1989, с. 53-59.

77. Уманский Я.С., Скаков Ю.А., Иванов А.Н., Расторгуев Л.Н. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия. М.: Металлургия, 1982, 632 с.

78. Ivanov L.I., Dyomina E.V., Milicka К. and Cadec J. High Temperature Creep Behavior of 12Cr-20Mn-W Austenitic Stainless steel. J.of Nucl. Mater., 1992, 191-194, p. 681-685.

79. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1993, 448 с.

80. Физические величины: Справочник. А.П. Бабичев, Бабушкина Н.А., Братковский A.M. и др.; Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991, 1232 с.

81. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М.: Наука, 1966, 686 с.

82. Никитушкина О.Н., Иванов Л.И., Бедняков С.А., Новиков JI.C. Изменение морфологии поверхности металлов при сверхзвуковых соударениях. Физика и химия обраб. материалов, 2001, № 1, с. 48-51.

83. Никитушкина О.Н., Иванов Л.И., Петров А.Н., Новиков JI.C., Коношенко В.П., Соколов В.Г. Структура микрократеров на поверхности металлических образцов, экспонировавшихся в открытом космосе. Физика и химия обраб. материалов, 2002, № 2, с. 21-25.

84. Алхимов А.П., Гулидов А.И., Косарев В.Ф., Нестерович Н.И. Особенности деформирования микрочастиц при ударе о твердую преграду. Прикладная механика и техническая физика, 2000, т. 41, №1, с. 204-210.

85. Алхимов А.П., Клинков C.B., Косарев В.Ф. Экспериментальное исследование деформации и соединения микрочастиц с преградой при высокоскоростном ударе. Прикладная механика и техническая физика, 2000, т. 41, №2, с. 47-53.

86. Малама Ю.Г. Численное моделирование высокоскоростного удара по полубесконечной мишени. Механика жидкости и газа, 1982, № 2, с. 119-125.

87. Nedospasov A.V. and Petrov V.G. Unipolar Arcs as Impurity Source in TOKAMAKs. J. of Nucl. Mater., 1980, 93-94, p. 775-779.

88. Read P.M., Asher J., Conlon T.W. and Sofield C.J. Unipolar Arc Erosion Rates Measured Using an Ion Beam Activation Technique. J. of Nucl. Mater., 1981, 99, p. 235-242.

89. Schwirzke F. and Taylor R.J. Surfaces Damage by Sheath

90. Effects and Unipolar Arcs. J. ofNucl. Mater., 1980, 93-94, p. 785-790.

91. Nedospasov A.V. and Petrov V.G. Model of the Unipolar Arc on a TOKAMAK Wall. J. of Nucl. Mater., 1978, 76-77, p. 490-491.

92. McCraken G.M. A Review of the Experimental Evidence for Arcing and Sputtering in TOKAMAKs. J. of Nucl. Mater., 1980, 93-94, p. 3-16.

93. Mioduszewski P., Clausing R.E. and Heatherly L. Studies on Microarcing. J. of Nucl. Mater., 1980, 91, p. 297-305.

94. Диаграммы состояния двойных металлических систем. Ред. Лякишев Н.П. М.: Машиностроение, в 2-х томах. Т. 1, 1996, 992 е., Т. 2, 1997, 1024 с.