Письма в ЖЭТФ, том 101, вып. 4, с. 294-299 © 2015г. 25 февраля
Механические и оптические свойства ванадия под действием ударных нагрузок пикосекундного диапазона
С. И. Ашитков1\ П. С. Комаров, Е. В. Струлева, М. Б. Агранат, Г. И. Капель Объединенный институт высоких температур РАН, 125412 Москва, Россия
Поступила в редакцию 10 декабря 2014 г.
Интерферометрпческим методом с непрерывной регистрацией движения в пикосекундном диапазоне проведены исследования эволюции импульсов сжатия, генерируемых фемтосекундным лазером в пленочных образцах ванадия микронной толщины. Соотношение скорости распространения ударной волны и массовой скорости за ее фронтом указывает на упругий характер ударного сжатия до 46 ГПа, при которых величина сдвигового напряжения составила 15.8 ГПа. Измеренные значения откольной прочности достигали 21.8 ГПа при скорости деформирования ~ 109 с-1. Зарегистрирована пикосекундная динамика изменения коэффициента отражения ванадия, свидетельствующая о возбуждении его электронной подсистемы в условиях "холодного" сжатия ударной волной ультракороткой длительности.
БОГ 10.7868/80370274X15040128
Развитие экспериментальной техники генерации и диагностики ударно-волновых явлений в твердых телах, методов атомистического моделирования процессов деформирования и разрушения стимулировало возрождение интереса к исследованиям температурно-скоростных зависимостей сопротивления деформированию и разрушению металлов в широком диапазоне скоростей деформации. Значительный прогресс в исследованиях прочностных и упру-гопластических свойств материалов при предельно малых длительностях нагрузок связан с применением для этих целей лазерных импульсов пико- и фемтосекундной длительности [1—8]. В частности, в пикосекундном временном диапазоне удалось вплотную приблизиться к предельно возможным ("идеальным") значениям объемной и сдвиговой прочности алюминия [1,5] и железа [6,8]. При этом регистрируемые напряжения сжатия за упругими ударными волнами достигали 20.5 ГПа для алюминия и 27.5 ГПа для железа, что выше динамического предела упругости сапфира и сравнимо с пределом упругости алмаза. Безусловно, при отработке технологий обработки материалов с применением фемтосекундной лазерной техники полезно знать о возможных кратковременных высоких значениях их пределов текучести в этом временном диапазоне. Эксперименты с импульсами ударной нагрузки ультракороткой длительности по пространственно-временным параметрам наиболее близки к условиям, реализуемым в молекулярно-динамических расчетах [9—11]. В на-
Че-таП: ashitkovll@yandex.ru
стоящее время они используются для тестирования новых потенциалов межатомного взаимодействия и стимулируют новые постановки задач для атомистического моделирования.
Известно, что напряжение течения твердых тел возрастает с увеличением скорости нагружения. Для многих кристаллических тел эта зависимость резко усиливается с превышением скорости деформирования 103 —104с-1, что интерпретируется как следствие перехода механизма движения дислокаций от термофлуктуационного к надбарьерному, контролируемому фононным трением [12]. Величина фонон-ного трения практически линейно возрастает с увеличением скорости движения дислокаций. Соответствующим образом должно расти и напряжение пластического течения с увеличением скорости деформации.
Высокоскоростное разрушение конденсированного вещества при растяжении происходит путем зарождения, роста и слияния многочисленных несплошностей. Поскольку скорость всех этих процессов ограничена, по мере сокращения времени воздействия сопротивление разрушению возрастает.
Важно, что результаты ударно-волновых экспериментов с образцами микронной и субмикронной толщины удается разумно согласовать с данными, полученными для миллиметровых образцов, описать затухание упругой волны ударного сжатия единой зависимостью и получить в конечном итоге соотношение между напряжением сдвига и начальной скоростью пластической деформации в рекордно широком диапазоне изменения последней: практически от
103 до 109с-1 [13]. При этом совокупность экспериментальных данных по алюминию вполне аппроксимируется простой степенной формулой [13], а затухание упругой ударной волны в железе явно разбивается на два участка [8], соответствующие, по-видимому, слабой и сильной ветвям обсуждавшейся выше общей зависимости напряжения течения от скорости деформации. Существует потребность в накоплении экспериментальных данных такого рода для того, чтобы выявить общие закономерности скоростных зависимостей напряжения течения в предельно широком диапазоне параметров.
Ванадий имеет объемно-центрированную кубическую кристаллическую структуру, плотность 6.1 г/см3 и продольную скорость звука 6.07 км/с. Он был выбран для продолжения цикла исследований прочностных свойств металлов в пикосекундном временном диапазоне главным образом по той причине, что для него недавно были получены экспериментальные данные по эволюции упруго-пластических ударных волн на расстояниях от 0.2 до 3 мм [14]. Эксперименты с микронными и субмикронными образцами должны были значительно расширить диапазон реализованных параметров и тем самым создать предпосылки для наиболее полного описания прочностных и кинетических свойств материала. Одновременно с регистрацией ударных волн в экспериментах контролировалось изменение отражательной способности материала в процессе выхода ударной волны на поверхность.
Исследовались пленочные образцы, полученные путем магнетронного распыления ванадия чистотой 99.8 на стеклянные подложки толщиной 150 мкм. Толщина образцов, измеренная с помощью атомно-силового микроскопа, непосредственно на участке проведения экспериментов размером примерно 1 мм2 составила 1030 ± 10, 1320 ±10 и 2190 ± 10 нм. Ударные волны генерировались в образцах воздействием лазерных импульсов фемтосекундного диапазона длительности. В экспериментах с использованием субнаносекундного частотно-модулированного (чир-пированного) диагностического импульса осуществлялась интерферометрическая регистрация смещения свободной тыльной поверхности пленочного образца в процессе выхода на нее импульса ударного сжатия [2,3,15-17]. Применение фурье-анализа регистрируемых интерферограмм, а также сопоставление фазовых изображений, полученных до опыта и в процессе выхода волны сжатия, обеспечивает точность измерения величины смещения поверхности на уровне нескольких нанометров.
Источником излучения являлась титан-сапфировая лазерная система (Legend, Coherent, USA), основанная на принципе усиления чирпиро-ванных импульсов и генерирующая фемтосекундные импульсы на длине волны 795 нм. Применяемая схема измерений [6,17] обеспечивает непрерывную регистрацию смещения поверхности и изменения ее отражательной способности как функций времени и пространственной координаты. Методика непрерывной регистрации основана на том, что различные спектральные компоненты диагностического импульса зондируют исследуемую область мишени в различные моменты времени.
Диагностическая часть установки представляет собой интерферометр Майкельсона с переносом изображения поверхности мишени (конфигурация Лин-ника), сопряженный с дифракционным спектрометром Acton-2300i (схема Черни-Тернера), с последующей цифровой регистрацией сигнала в виде двумерных интерферограмм с помощью ПЗС-камеры SensiCam QE на выходе спектрометра. Длительность одновременно регистрируемого временного интервала ограничена длительностью чирпированного импульса, для данной модели лазера равной 300 пс. Временное разрешение, определяемое шириной входной щели и дисперсией спектрометра, не превышает 1 пс при использовании дифракционной решетки 600 штрихов/мм.
Применяемый алгоритм фурье-анализа двумерных интерферограмм [16-18] с процедурой нормировки фазовых и амплитудных распределений обеспечивает погрешность измерения сдвига фазы диагностического импульса на уровне 5ф « 0.01 рад, что соответствует погрешности определения величины смещения поверхности на уровне 5z < (1— 2) нм, а также изменения коэффициента отражения с точностью SR (1—2)%. Для улучшения выделения полезного сигнала фильтрация пространственного спектра частот при фурье-анализе проводилась с учетом критерия Найквиста и оптической передаточной функции микрообъектива интерферометра [18].
Лазерное воздействие на образец осуществлялось со стороны стеклянной подложки, а диагностика инициируемых процессов проводилась на тыльной свободной поверхности. При данной конфигурации эксперимента существует ограничение на интенсивность падающего лазерного излучения в связи с возможным возникновением нелинейных эффектов и оптического пробоя в стекле. С целью уменьшения пиковой интенсивности длительность нагревающего импульса была увеличена до 0.8 пс путем соответствующей настройки компрессора лазера.
Излучение фокусировалось на поверхность пленки в пятно с пространственным гауссовым распределением с радиусом пучка ЗОмкм по уровню е-1. Этим обеспечивалось практически одноосное сжатие материала мишени. Энергия в импульсе плавно варьировалась с помощью поляризационного ослабителя. Максимальная плотность энергии нагревающего импульса на мишени не превышала 1.5Дж/см2.
После каждого воздействия мишень перемещалась на новое место с помощью микроманипулятора, управляемого с компьютера. При смене или перемещении образца точность позиционирования его поверхности в предметной плоскости объектива интерферометра контролировалась по максимальному контрасту интерференционных полос и была не хуже ±2мкм. Это соответствует погрешности задержки между нагревающим и зондирующим импульсами на уровне 10 фс, что более чем на три порядка меньше характерного времени развития исследуемых акустических процессов.
На рис. 1 приведены результаты опытов с пленочными образцами ванадия толщиной 1030 нм при трех
При постоянной плотности энергии лазерного импульса измерения демонстрируют достаточно хорошую воспроизводимость данных на начальном участке движения поверхности. Небольшое относительное смещение волновых профилей по оси времени на этом участке, вероятно, объясняется непостоянством толщины образца. С умен
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.