МЕХАНИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА № 6 • 2014
УДК 539.4
© 2014 г. М. Б. АГРАНАТ, С. И. АШИТКОВ, П. С. КОМАРОВ
ПОВЕДЕНИЕ МЕТАЛЛОВ ВБЛИЗИ ПРЕДЕЛА ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ В ЭКСПЕРИМЕНТАХ С ФЕМТОСЕКУНДНЫМИ ЛАЗЕРНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ
Интерферометрическим методом в пикосекундном диапазоне в металлических пленочных образцах исследована эволюция ударных волн сжатия, генерируемых с помощью мощного фемтосекундного лазера. На субмикронной длине распространения в железе и алюминии зарегистрированы ударные волны с напряжением сжатия за фронтом упругого предвестника до 27.5 ГПа и 12.6 ГПа соответственно. Полученные значения сдвиговой и объемной прочности сопоставимы с расчетными значениями предельной теоретической прочности на сдвиг и растяжение.
Ключевые слова: ударная волна сжатия, разрушение, прочность, скорость деформирования, фемтосекундный лазерный импульс.
1. Введение. С появлением мощных фемтосекундных лазеров стало возможным изучение поведения материалов при предельно высоких скоростях приложения механической нагрузки. Эти сведения нужны для развития теории прочности и пластичности, расчетного прогнозирования интенсивных импульсных воздействий на материалы и конструкции в широком диапазоне параметров нагрузки, построения физических моделей взаимодействия мощного излучения с веществом, физики отрицательных давлений, создания экспериментальной базы для тестирования результатов атомистического моделирования. В последние годы, активно проводимые исследования в данном направлении в России и за рубежом [1—8] выявили возможность реализации в этих условиях сдвиговых и растягивающих напряжений, близких к предельно возможным ("идеальным" [9—12]) значениям сдвиговой и объемной прочности вещества. Важно, что полученные разными способами наборы экспериментальных данных в широком диапазоне длительностей нагрузки описываются едиными зависимостями сопротивления деформированию и разрушению от скорости деформации. В данной работе приведены результаты экспериментальных исследований динамики импульсов ударного сжатия пикосекундной длительности в пленочных образцах железа и алюминия субмикронной и микронной толщины. В отличие от алюминия со структурой г.ц.к. железо имеет менее плотную и более жесткую объемно-центрированную кубическую кристаллическую структуру.
Измерения динамического предела упругости и растягивающих напряжений, приводящих к разрушению (отколу) изучаются путем измерения и анализа эволюции волновых профилей скорости движения свободной тыльной поверхности образцов в момент выхода импульсов ударного сжатия. В последние годы для этой цели активно развиваются интерферометрические методики с использованием частотно-модулированных диагностических импульсов, позволяющие осуществлять непрерывную регистрацию движения поверхности мишени в пикосекундном диапазоне [2—4, 13]. В отличие от многоимпульсных "pump-probe" методов [1, 5, 14, 15], используемая одно-импульсная методика непрерывной регистрации обеспечивает гораздо более высокую
степень надежности измерений, и может быть применена для изучения воспроизводимости и статистики ударно-волновых явлений в тонкопленочных образцах.
2. Экспериментальная методика. В качестве экспериментальных образцов использовались пленки железа и алюминия, нанесенные методом магнетронного напыления на стеклянные подложки толщиной 150 мкм. Толщина образцов, измеренная с помощью атомно-силового микроскопа непосредственно на участке проведения экспериментов составила для образцов железа 250 ± 5 нм и 540 ± 5 нм и алюминия 500 ± 5 нм и 1200 ± 10 нм. Лазерное воздействие осуществлялось со стороны стеклянной подложки.
Источником нагревающих и диагностических импульсов служила фемтосекундная титан-сапфировая лазерная система, собранная по схеме усиления чирпированных импульсов. Мощный импульс накачки субпикосекундной длительности на выходе установки после оптического компрессора использовался для генерации в металле импульса ударного сжатия путем нагрева поверхности пленочного образца через стеклянную подложку. Пятно фокусировки лазерного излучения имело гауссово пространственное распределение интенсивности диаметром примерно 25 мкм по уровню е-1. Поглощение излучения накачки в поверхностном слое металла сопровождалось генерацией импульса сжатия, распространяющегося по направлению к тыльной свободной поверхности образца. Механизм генерации ультракоротких ударных волн в металлах с помощью фемтосекундных оптических импульсов рассматривался ранее в работах [16]. Энергия импульсов плавно варьировалась с помощью поляризационного ослабителя и контролировалась фотоприемником. После каждого лазерного воздействия исследуемый образец перемещался на новое место с помощью микроманипулятора.
Небольшая часть частотно-модулированного (чирпированного) импульса длительностью 300 пс ответвлялась из оптического тракта лазера до компрессора и использовалась для диагностики движения тыльной свободной поверхности пленочного образца. Диагностическая часть установки представляла собой интерферометр Майкельсо-на с переносом изображения поверхности мишени, сопряженный с дифракционным спектрометром Acton 2300i. ПЗС камера на выходе спектрометра регистрировала двумерную интерферограмму, продольная координата которой представляет собой развертку спектра частотно-модулированного диагностического импульса, в которой каждой длине волны соответствует определенный момент времени. Применяемый алгоритм Фурье-анализа двумерных интерферограмм [1, 17] с процедурой нормировки фазовых распределений обеспечивал погрешность измерения сдвига фазы диагностического импульса на уровне « 0.01 рад, что соответствует погрешности определения величины смещения поверхности на уровне 5z ^ 1-2 нм.
Экспериментальная схема измерений обеспечивала непрерывную регистрацию смещения поверхности образца как функцию времени в диапазоне 0-230 пс с временным разрешением 51 = 1 пс и пространственным разрешением 8у « 2 мкм по радиальной координате в плоскости мишени. Более подробно схема и методика измерений описана в работах [18].
3. Результаты измерений и их анализ. На фиг. 1 показаны результаты измерений историй смещения z(t) (z0 = 1 нм, t0 = 1 пс) свободной тыльной поверхности пленочных образцов железа (а) и алюминия (b) при значениях плотности энергии в центре фокального пятна 3 Дж/см2. Профили z(t) на фиг. 1 построены для центральной части области воздействия с интегрированием по пространственному интервалу ±2 мкм, что соответствует диапазону вариации плотности энергии падающего излучения AF/F0 = 0.01. Здесь и далее на графиках момент времени t = 0 выбран произвольно.
Результаты опытов демонстрируют хорошую воспроизводимость измерений на начальном участке движения поверхности. Небольшое относительное смещение волновых профилей по оси времени вероятно, объясняется непостоянством толщины об-
Фиг. 1
Фиг. 2
разца. Значительное расхождение историй смещения при больших задержках относительно начала движения связано с процессом откольного разрушения при отражении импульса сжатия от поверхности. В случае железа за начальным участком следует дальнейшее возрастание скорости, то есть регистрируются последовательно две волны сжатия. Для алюминия эта особенность не наблюдается.
На фиг. 2 представлены профили скорости свободной поверхности и($) (и0 = 1 км/с) усредненные по нескольким измерениям для пленочных образцов железа (а) и алюминия (Ь) различной толщины. Результаты измерений на железе демонстрируют сильное затухание как импульса сжатия в целом, так и первой ударной волны двухволно-вой конфигурации. Профиль скорости свободной поверхности и(0 получен путем дифференцирования экспериментальной зависимости 1(1) с последующей итерационной обработкой, в результате которой интеграл скорости наилучшим образом соответствует измеренной истории смещения [5].
Для образцов железа скорость фронта первой волны на участке от 250 нм до 540 нм в среднем по всей сумме проведенных опытов составила US = 6.45 ± 0.2 км/с. При этом скорость поверхности за первой ударной волной по мере распространения уменьшается от 1.06 ± 0.06 км/с на расстоянии 250 нм до 0.45 ± 0.03 км/с на расстоянии 540 нм.
Фиг. 3
Для алюминиевых образцов надежных свидетельств возникновения двухволновой конфигурации в рассматриваемых условиях не было обнаружено. Наблюдаемая на образце ступенька на фронте импульса вблизи максимума сопоставима с погрешностью измерений. При этом скорость фронта волны на участке от 500 нм до 1200 нм составила US = 7.1 ± 0.3 км/с.
Сопоставление полученных значений скорости ударной волны и массовой скорости up = ufJ2 с ударной адиабатой а-фазы железа [19] показывает, что измеренная скорость фронта волны значительно выше ожидаемой. Принимая во внимание также незначительное, <1 пс, время нарастания первой волны, можно со всей определенностью заключить, что первая волна регистрируемой двухволновой конфигурации является упругим предвестником волны сжатия. С использованием средних значений массовой скорости за фронтом предвестника и скорости его распространения, а также продольной скорости звука при нулевом давлении е1 = 5.97 км/с, построена метаста-бильная ударная адиабата железа в виде US = 5.97 + 1.2 up км/с. После этого напряжения сжатия за фронтом упругого предвестника aHEL = р0 US up, где р0 — плотность материала, найдены равными 27.5 ± 2.5 ГПа и 11.0 ± 1 ГПа на расстояниях 250 нм и 540 нм соответственно.
Аналогичным образом для алюминия ударная адиабата упругого сжатия найдена в виде US = 6.44 + 1.4up км/с, что совпадает с результатами проведенных ранее измерений методом pump-probe [1]. Соотношение скорости распространения ударной волны и массовой скорости за ее фронтом указывает на упругий характер ударного сжатия от 7.7 ± 1 ГПа до 12.6 ± 2 ГПа в данном диапазоне, что подтверждается также малым (менее 1—2 пс) временем нарастания параметров в ударной волне.
На фиг. 3 приведены диаграммы состояний алюминия (а) и железа (b), на которой нанесены оцененная метастабильная ударная адиабата упругого сжатия, равновесная адиабатаp(V) а-фазы низкого давления и ударная адиабата с переходом в г-фазу высок
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.