научная статья по теме ДЕФОРМАЦИОННОЕ ПОВЕДЕНИЕ МЕДИ В УСЛОВИЯХ НАГРУЖЕНИЯ СФЕРИЧЕСКИ СХОДЯЩИМИСЯ УДАРНЫМИ ВОЛНАМИ. ВЫСОКОИНТЕНСИВНЫЙ РЕЖИМ НАГРУЖЕНИЯ Физика

Текст научной статьи на тему «ДЕФОРМАЦИОННОЕ ПОВЕДЕНИЕ МЕДИ В УСЛОВИЯХ НАГРУЖЕНИЯ СФЕРИЧЕСКИ СХОДЯЩИМИСЯ УДАРНЫМИ ВОЛНАМИ. ВЫСОКОИНТЕНСИВНЫЙ РЕЖИМ НАГРУЖЕНИЯ»

ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2015, том 116, № 1, с. 101-113

^ ПРОЧНОСТЬ

И ПЛАСТИЧНОСТЬ

УДК 669.3:539.374

ДЕФОРМАЦИОННОЕ ПОВЕДЕНИЕ МЕДИ В УСЛОВИЯХ НАГРУЖЕНИЯ СФЕРИЧЕСКИ СХОДЯЩИМИСЯ УДАРНЫМИ ВОЛНАМИ. ВЫСОКОИНТЕНСИВНЫЙ РЕЖИМ НАГРУЖЕНИЯ

© 2015 г. А. В. Добромыслов*, Н. И. Талуц*, Е. А. Козлов**, А. В. Петровцев**,

А. Т. Сапожников**, Д. Т. Юсупов**

*Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 **Российский федеральный ядерный центр — Всероссийский НИИ технической физики им. акад. Е.И. Забабахина, 456770 Снежинск, Челябинская обл., а/я 245 e-mail: Dobromyslov@imp.uran.ru Поступила в редакцию 21.06.2013 г.; в окончательном варианте — 26.05.2014 г.

Методами рентгеноструктурного анализа, оптической металлографии, просвечивающей электронной микроскопии и измерением микротвердости проведено послойное изучение структуры шара из меди диаметром 64 мм после нагружения сферически сходящимися ударными волнами. Обнаружено, что высокоскоростная пластическая деформация меди при реализованных условиях нагружения осуществляется главным образом скольжением, а в средних и глубоких слоях также образованием полос локализации деформации по границам зерен. На макроуровне наблюдаются полосы сдвига, а на микроуровне —однородная дислокационная структура, микрополосы, микродвойники, полосовая структура и дислокационные вакансионные петли.

Ключевые слова: ударные волны, высокоскоростная пластическая деформация, медь, структура. DOI: 10.7868/S0015323015010040

ВВЕДЕНИЕ

Влияние ударных волн на структуру и деформационное упрочнение меди изучается уже в течение 50 лет. Из полученных результатов следует, что медь после ударного нагружения обнаруживает значительное разнообразие деформационных структур [1—13]. Это связано с тем, что на протекание высокоскоростной пластической деформации меди влияют различные параметры как исходной структуры, так и ударного воздействия. Механизм высокоскоростной пластической деформации зависит от того, является ли образец монокристаллом или поликристаллом, а в случае поликристалла также от размера зерна. С другой стороны, на него оказывает сильное влияние величина давления на фронте ударной волны, продолжительность ударного импульса, форма импульса, направление распространения ударной волны в монокристалле и способ нагружения. К настоящему времени наибольшее число экспериментов было проведено с нагружением сохраняемых образцов плоскими ударными волнами.

В работе [13] были изучены структура и механизмы высокоскоростной пластической деформации поликристаллической крупнозернистой меди после взрывного нагружения шара диаметром 70 мм сферически сходящимися ударно-из-

энтропическими волнами. Было установлено, что при используемых условиях нагружения основным механизмом пластической деформации поликристаллической меди является скольжение, а двойникование играет вторичную роль. В процессе высокоскоростной пластической деформации происходит образование полос сдвига, которые преимущественно принадлежат к одной системе скольжения. На микроуровне деформационная структура характеризуется однородным распределением дислокаций без формирования ячеистой структуры, присутствием микрополос и небольшого количества микродвойников.

Данная работа является продолжением работы [13] по изучению деформационной структуры и механизмов высокоскоростной пластической деформации поликристаллической меди при более мощном взрывном нагружении шара диаметром 64 мм сферически сходящимися ударно-изэнтро-пическими волнами, позволившем увеличить вводимую в образец энергию примерно в 1.5 раза.

ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В качестве материала была использована поликристаллическая медь марки М1. Из прутка меди 0 80 мм был выточен образец в форме шара

(а) (б)

Рис. 1. Схема нагружения (а) и вид меридионального сечения шара из поликристаллической меди после взрывного на-гружения (б).

диаметром 64 мм. Нагружение осуществлялось квазисферически сходящейся детонационной волной, инициированной в слое с наружным радиусом RBB = 40 мм и толщиной 8 мм, изготовленном из мощного взрывчатого вещества (ВВ) на основе гексогена (RDX-based composition) (рис. 1а). Разлет продуктов взрыва в этом эксперименте ограничивался тяжелым корпусом из чугуна. Остаточная тепловая энергия образца, сохраненного после сферического взрывного обжатия, составляла 100 кДж. Претерпевший нагружение и сохраненный образец был разрезан по меридиональному сечению. Для анализа эволюции структуры и измерения микротвердости по всей плоскости меридионального сечения был приготовлен шлиф (рис. 1б). Для исследования использовали рентге-ноструктурный анализ, оптическую и просвечивающую электронную микроскопию, а также измерение микротвердости по радиальному направлению. Для проведения послойного анализа из шара был вырезан столбик квадратного сечения вдоль одного из радиальных направлений. Этот столбик был разрезан перпендикулярно радиальному направлению для приготовления шлифов и фольг, находящихся на различных расстояниях от внешней поверхности шара.

Для изучения структуры использовали микроскоп NEOPHOT-32. Рентгеноструктурный анализ проводили на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3, исследование микроструктуры — на электронных микроскопах JEM-200CX и Philips CM 30, измерение микротвердости — на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке 0.49 Н.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В процессе взрывного нагружения в результате образования полости в центральной части первоначально сплошного шара образец приобрел вид толстостенной оболочки с наружным радиусом ~33 мм (рис. 1б). Полость имеет форму, близкую к сферической, и расположена симметрично по отношению к центру шара. На поверхности полости присутствуют следы плавления меди, а вокруг нее — область закристаллизовавшегося металла. Вид поверхности полости свидетельствует о протекании пластического разрушения в процессе ее формирования. Объем внутренней полости равен Кпол = 14.113 см3, а средний радиус полости Яс = = 14.99 мм. Появление полости приводит к тому, что слои, располагавшиеся в исходном шаре на радиусах Я, смещаются в положения г (рис. 2).

Для оценки условий нагружения шара и изменения давления во времени для ряда выделенных в медном шаре лагранжевых частиц были проведены одномерные расчеты с использованием широкодиапазонного уравнения состояния меди с учетом испарения вещества (рис. 3) [14, 15]. Начальное давление на поверхности медного шара составляло ~50 ГПа. По мере удаления от поверхности шара амплитуда нагрузки сначала несколько снижалась, потом оставалась в некотором слое почти постоянной и только в глубоко расположенных слоях при Я/Явв < 0.3 нарастала вследствие кумуляции энергии на фронте сходящейся волны. На относительном радиусе Я = 0.1ЯВВ (4 мм) амплитуда нагрузки в сходящейся волне расчетно оценена равной 145 ГПа. При 0.35 < Я/Явв < 0.8 на

35 30 25 20 L 15 10 5

10

15 20 R, мм

25 30 35

Рис. 2. Изменение положения слоев в шаре после нагружения.

фронте сходящейся ударной волны давление изменялось в диапазоне от 40 до 50 ГПа.

Рентгеноструктурный анализ показывает, что на дифрактограммах, полученных с образца в исходном состоянии, наблюдается наличие дуплета Каг и Ка2-линий для всех отражений, начиная с 022. После взрывного нагружения дуплетное расщепление линий на дифрактограммах исчезает из-за размытия дифракционных линий для всех отражений hkl. Полуширина дифракционных ли-

ний по сравнению с полушириной линий в исходном состоянии возрастает, причем самое большое уширение линий наблюдается в слоях, расположенных на радиусах r выше 21.4 мм (см. таблицу). При дальнейшем увеличении глубины залегания слоя происходит уменьшение полуширины линий, связанное с повышением температуры в этих слоях, что приводит к процессам возврата и рекристаллизации.

В исходном состоянии средний размер зерен равен ~300 мкм. Многие зерна содержат двойники отжига различной формы и размера. Наряду с двойниками отжига большого размера, встречаются тонкие двойники толщиной ~5—10 мкм, распространяющиеся от границ зерен. После взрывного нагружения структура приповерхностных слоев мало изменяется по сравнению со структурой меди в исходном состоянии (рис. 4а). Зерна сохраняют свою первоначальную форму, и только в некоторых зернах появляются признаки пластической деформации в виде следов скольжения или полос сдвига. При удалении от поверхности нагружения на 2.5 мм протяженность и плотность полос сдвига возрастает (рис. 4б). Полосы сдвига в основном принадлежат к одной системе скольжения, хотя в некоторых зернах можно обнаружить присутствие следов двух систем. Наряду с полосами сдвига в деформационной структуре меди, возможно, присутствуют двой-

aR, ГПа

300

250 -

200 -

150 -

100

50 -

10

15 t, мкс

Рис. 3. Расчетные оценки изменения во времени давления на границе медного шара, первоначально располагавшейся на радиусе 32 мм (кривая 1), и расчетные изменения во времени радиальных компонент напряжений для ряда выделенных в медном шаре лагранжевых частиц, первоначально находившихся на указанных радиусах (кривые 2—20). Стрелками отмечены моменты выхода на соответствующую лагранжевую частицу фронта отраженной от центра ударной волны.

0

5

0

0

5

Уширение рентгеновских линий поликристаллической меди после нагружения сферически сходящимися ударными волнами на различных радиусах сохраненного образца r

r, мм Индексы отражения hkl

002 022 113 133 024

Исх. состояние 0.23° 0.32° 0.39° 0.97° 1.20°

31.4 0.31° 0.41° 0.55° 1.25° 1.75°

28.9 0.31° 0.42° 0.57° 1.27° 1.73°

26.4 0.31° 0.41° 0.58° 1.31° 1.79°

23.9 0.30° 0.40° 0.62° 1.25° 1.82°

21.4 0.31° 0.41° 0.58° 1.24° 1.79°

20.0 0.30° 0.36° 0.53° 1.27° 1.63°

18.9 0.30° 0.37° 0.52° 1.12° 1.63°

ники. Металлографически отличить их от полос сдвига трудно, так как они распространяются по той же системе плоскостей {111}. На рис. 4в в области, обозначенной "А", кроме полос сдвига наблюдается две системы тонких линий. По виду, толщине и характеру расположения они суще-

ственно отличаются от полос сдвига. По всей видимости, такие дефекты являются двойниками.

Такой характер структуры

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком