ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2007, том 26, № 12, с. 57-63
УДАРНЫЕ ВОЛНЫ
УДК 539.4
ТУРБУЛЕНТНОСТЬ И ДИССИПАТИВНЫЕ СТРУКТУРЫ В УДАРНО-НАГРУЖАЕМОЙ МЕДИ
© 2007 г. Ю. И. Мещеряков1, Н. И. Жигачева1, А. К. Диваков1, И. П. Макаревич1, Б. К. Барахтин2
1Институт проблем машиноведения Российской академии наук, Санкт-Петербург 2Централъный научно-исследовательский институт конструкционных материалов, "Прометей",
Санкт-Петербург E-mail: ymesch@mpact.ipme.ru Поступила в редакцию 12.12.2006
Проведены ударные испытания поликристаллической меди М3 в условиях одноосной деформации в диапазоне скоростей ударника 100-700 м/c. Установлено, что существует пороговая скорость деформации, выше которой в динамически деформируемом материале формируются диссипативные структуры в виде локализованных областей сетчатого вида размером 15-25 мкм, разделенных полосами пластического сдвига. Размеры элементарных ячеек сетчатой структуры соответствуют на-норазмерному масштабу. Внутри сетчатых структур микротвердость материала несколько выше, нежели в полосах пластической деформации, разделяющих эти структуры. При скоростях деформации, соответствующих пороговой и выше, резко возрастает дефект массовой скорости, равный разности между скоростью ударника при симметричном соударении и скоростью свободной поверхности на плато импульса сжатия, причем одновременно возрастает откольная прочность материала.
1. ВВЕДЕНИЕ
Выяснение механизмов гетерогенизации процесса динамического деформирования является предметом интенсивных исследований на протяжении более полувека. Обычно процессы гетерогенизации связывают главным образом с зарождением системы полос локализованного сдвига. Один из первых экспериментальных результатов, касающихся ударного инициирования системы полос локализованного сдвига в алюминии 6061-Т-6 представлен в [1]. В дальнейшем детальное изучение процессов катастрофического роста термо-пластическгих сдвигов, инициированных ударным нагружением, проведено в работе [2]. Что касается ротационных механизмов структурообразова-ния при динамическом деформировании материалов, то здесь результаты как экспериментальных, так и теоретических исследований значительно беднее. Ротации мезоскопического уровня зафиксированы в ударно-нагружаемом сплаве Д-16 [3] и в титановых сплавах [4]. Обзор экспериментальных результатов по ротационным механизмам динамической гетерогенизации материалов дан в [5], где описаны различные реализации ротаций в условиях тыльного откола. Что касается теоретических результатов по моделированию процессов ротационного динамического деформирования, то число таких работ весьма отграничено. Ряд дисло-кационно-дисклинационных моделей зарождения и роста ротаций на мезоуровне с кристаллах рас-
смотрено в [6]. В [7] предложена дислокационная модель, описывающая зарождение и рост цепочек ротаций в условиях ударного нагружения материала.
Детальное численное исследование процесса потери устойчивости динамического деформирования и перехода твердого тела в турбулентное состояние проведено в работе в [8]. Для этой цели использован метод клеточных автоматов, разработанный в [9]. Численное моделирование выявило наличие нестационарных полей смещения в динамически деформируемой поликристаллической меди и определило условия их зарождения и развития. Во многих отношениях эти результаты подтверждают результаты экспериментальных исследований, описанных в [4, 5]. Так, размеры ударно-инициированных вихревых структур сопоставимы с теми, которые наблюдаются в экспериментах. Размеры вихрей лежат в диапазоне 5-10 мкм, при этом на разных стадиях деформирования вихревое поле эволюционирует от редких ротационных ячеек в тройных стыках зерен кристаллической решетки до густой сети ротаций, перекрывающих все поле кристалла.
В настоящей работе проведено дальнейшее экспериментальное исследование процессов вих-реобразования при высокоскоростном нагруже-нии поликристаллической меди
Результаты ударных испытаний меди М3
Маркировка образца 441 448 451 452
Скорость ударника, м/с 174 391 467 700
Дефект скорости, м/с 0 219 319 -
Откольная прочность, ГПА 1.24 1.74 1.93 -
2. МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
Ударное нагружение плоских 5-мишеней мм меди М3 в условиях одноосной деформации (плоское соударение) в диапазоне скоростей ударника 170-700 м/с проводили двумя методами. Первый метод основан на метании пластины с помощью специального взрывного устройства (так называемой "взрывной линзы" или "сборки"), в котором инициируется плоская детонационная волна, разгоняющая ударник до скорости 700 м/с и выше. Во втором методе для разгона ударника до скорости 100-500 м/с использовали однокас-кадную легкогазовую пушку калибра 37 мм. В первом методе условия нагружения и последующего демпфирования мишени обеспечивали однократное нагружение образца ударной волной. В этом методе единственной измеряемой характеристикой процесса ударного нагружения является скорость соударения ударника и мишени. Во втором методе, кроме скорости ударника, регистрировали временной профиль скорости свободной поверхности мишени. Для этой цели использовали двухканальный скоростной интерферометр с высоким пространственным (~50 мкм) и временным (~1 нс) разрешениями [10].
При нагружении с помощью легкогазовой пушки ударное нагружение образца осуществлялось только при первом прохождении ударной волны через образец, в то время как отраженная от тыльной поверхности мишени волна задерживалась при отколе. С целью сохранения структурных изменений, инициированных ударным нагру-жением, мишени из исследуемого материала диаметром 35 мм и толщиной 5 мм конически запрессовывались в диски из М3 диметром 52 мм и толщиной 5 мм. Это позволяло избежать повторного прохождения через образец волн, отраженных от боковых поверхностей мишеней.
После ударного нагружения все образцы разрезались по одной из плоскостей вдоль направления распространения волны в образце, полировали и протравливали по стандартной методике, включая процесс электрополировки.
Просмотр шлифов и документирование изображений произведены с помощью металлографических микроскопов "Неофот-32" и "Аксиоверт", оснащенных цифровыми камерами, и электронного растрового микроскопа "SEM 535". Ударное
нагружение плоских образцов меди М3 проведено при четырех скоростях ударника. Параметры нагружения и результаты испытаний представлены в таблице.
В данной работе исследовано, с одной стороны, изменение структуры материала как результата ударного воздействия и, с другой стороны, макроскопический отклик материала на ударное воздействие в виде временных профилей скорости свободной поверхности.
3. МИКРОСТРУКТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
В исходном состоянии структура медных мишеней типична для поликристалла с ГЦК строением. Она характеризуется крупными ~(300 ± 200) мкм зернами с широкими двойниками роста.
Рассмотрение шлифов при оптических увеличениях 100+-1000+ в зоне прямого прохождения ударной волны вблизи нагружаемой поверхности мишени позволило выявить особенности микрорельефа травления на шлифе образца. При скорости ударника 177 м/с выявляются только структурные образования, которые по классификации [11] для гЦК-кристаллов представляют собой систему мезополос, длина которых ограничена размером зерна. После удара со скоростью 391 м/с и выше в массиве незначительно измельченных зерен, наряду с мезополосами, можно обнаружить растравленные участки, представляющие собой густую сетку полос локализованного сдвига (рис. 1а). Наименьший размер участков, которые удалось зафиксировать, составляет 5 мкм. С увеличением скорости нагружения до 467 м/с количество таких участков быстро возрастает, в то время как число мезополос убывает. Наконец, при соударении со скоростью 700 м/с растравленные участки занимают 80% площади зерна (рис. 16, в). Эти участки расположены хаотически по площади зерна. Как видно из рис. 1в, такая картина наблюдается не во всех зернах, а только в тех, которые благоприятно ориентированы по отношению к направлению распространения ударной волны. В остальных зернах структура остается такой, как и в исходном материале.
Изучение растравленных участков микрошлифа в растровом электронном микроскопе выявило тонкую структуру фигур травления (рис. 2). Она представляет собой сетку, образованную взаимно перпендикулярными пересекающимися следами скольжения. В среднем размер элементарных ячеек (доменов), образованных линиями сетки, составляет 0.1-0.5 мкм.
Предполагая деформационную природу выявленного микрорельефа травления на шлифе мишени, испытавшей удар со скоростью 700 м/с, были произведены замеры микротвердости при нагрузке
Рис. 1. Распределение сетчатых образований в ударно-нагружаемой меди М3: а - мезополосы скольжения и локализованные сетчатые структуры при скорости ударника 391 м/с; б - хаотически распределенные по зерну сетчатые структуры при скорости ударника 700 м/с; в - общий вид поперечного шлифа мишени с "чистыми" и структурированными зернами.
Рис. 2. Сетчатые структуры при скорости ударника 700 м/с.
на индентор 20 г. По результатам нескольких замеров установлено, что зерна с сетчатым строением фигур травления обладают более высокой мик-
ротвердостью, чем "чистые" зерна - (1440 ± 80) и (1210 ± 40) н/мм2, соответственно. Если образование сетчатых фигур травления связано с упорядоченным движением дислокаций в пределах локализованных участков, то можно полагать, что эффект упрочнения обусловлен интенсивным дроблением зерна до наноразмерного состояния.
Видимое на экране светового микроскопа качественное совпадение изображения амплитудного контраста вокруг отпечатка индентора и от границ раздела между сетчатыми образованиями внутри зерен позволяет предположить, что возникновение новых границ обусловлено процессами микропластической деформации путем самоорганизации дефектов в соседствующих сетчатых образованиях. Заметим, что форма границ раздела сетчатых образований достаточна ре-льефна, что характерно для структур с фрактальными свойствами (рис. 3).
4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ МИКРОСТРУКТУРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Известно [12], что с повышением скорости деформации сопротивл
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.