научная статья по теме ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ. СВОЙСТВА ФАЗ И ИХ РАВНОВЕСИЕ В УСЛОВИЯХ УДАРНО-ВОЛНОВОГО НАГРУЖЕНИЯ Механика

Текст научной статьи на тему «ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ. СВОЙСТВА ФАЗ И ИХ РАВНОВЕСИЕ В УСЛОВИЯХ УДАРНО-ВОЛНОВОГО НАГРУЖЕНИЯ»

МЕХАНИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА № 6 • 2014

УДК 539.4

© 2014 г. Е. Б. ЗАРЕЦКИЙ

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ.

СВОЙСТВА ФАЗ И ИХ РАВНОВЕСИЕ В УСЛОВИЯХ УДАРНО-ВОЛНОВОГО

НАГРУЖЕНИЯ

Введение температуры в качестве параметра в ударно-волновой эксперимент существенно расширяет круг явлений доступных исследователю. Влияние температуры на упруго-пластические процессы, сопровождающие высокоскоростную деформацию и на фазовые переходы, протекающие в ударных волнах, нетривиально и далеко от полного понимания. Созданная к настоящему времени методика эксперимента с лазерной доппле-ровской диагностикой образцов нагретых до 1400 К уже успешно использована для изучения влияния температуры на ударно-волновое поведение и на "динамические" фазовые диаграммы как чистых металлических элементов (U, Ti, Fe, Co, Ag, Al, Cu) так и ионных и ковалентных соединений (KCl, KBr, Al2O3). Эти исследования показали, что типичным поведением, впервые обнаруженным Канелем и его группой для чистых ГЦК (Al, Ag, Co, Cu) и для некоторых других (Sn, U) металлов и для ионных кристаллов при ударно-волновом нагружении является рост их сдвиговой прочности с температурой. В то же время в чистых металлах с ОЦК решеткой подобного "термического упрочнения" обнаружено не было. Резкие аномалии прочности (и сдвиговой, и откольной) наблюдались в непосредственной близости от различных, полиморфных, магнитных, связанных с плавлением, фазовых превращений. Эти исследования показали, что при приближении к фазовой границе (т.е. к линии фазовых переходов первого или второго рода) сдвиговая прочность чистого металла возрастает на 50— 100%. В тоже время наличие ничтожного (~0.5%) количества примеси может приводить к пятикратному падению прочности, как это имеет место быть с никелем технической чистоты в окрестности его точки Кюри. Та же экспериментальная методика, будучи использована для исследования релаксации сдвиговых напряжений в ударно нагруженном образце, может быть чрезвычайно полезна для понимания механизмов отвечающих за эти аномалии.

Ключевые слова: фазовые переходы, сдвиговая прочность, температура.

1. Введение. Роде первым, в 1969 году, попытался ввести температуру в качестве параметра ударно-волнового эксперимента при исследовании динамической прочности железа с помощью кварцевых датчиков напряжения [1] и, в 1970 г., при исследовании обратного, мартенсит-аустенитного, превращения в железо-никелевом сплаве [2]. В этих работах были сформулированы вопросы, попытки ответов на которые предпринимались во всех последующих исследованиях динамического поведения материалов с начальной температурой, отличной от комнатной:

Как изменения температуры влияют на динамическую, как при сжатии, так и при растяжении, прочность исследуемых материалов?

В случае, если исследуемый материал претерпевает фазовый переход при повышенном давлении, совпадают ли границы фаз, определенные в динамическом и статическом экспериментах?

Позже на эти вопросы, но уже с применением лазерной допплеровской интерферометрии (VISAR, [3]), попытался ответить Асэй при исследовании "динамической" фазовой диаграммы висмута и влияния температуры на его динамическую прочность [4]. Последняя, как оказалось, не зависит от температуры вплоть до 523 К. Ниже тройной точки "динамическая" граница между фазами Bi1 и Bi11 висмута практически совпадает с полученной статическими методами. При дальнейшем, до 708 К, нагреве фаза Bi1 плавится при постоянном давлении около 17 кбар.

Влияние начальной температуры на динамическую прочность железа изучалось Эрейлем [5] и, вскоре после него, Нааме и Хилтлем [6]. В обеих работах было показано, что между 300 и 800 К динамический предел упругости падает на ~30%. В 1994-м Даффи и Аренс представили свои рекордные результаты по регистрации профилей скорости свободной поверхности образцов чистого молибдена нагретого до 1673 К. По их данным динамический предел упругости молибдена падает на 25—45% в интервале температур 300—1673 К.

В середине 90-х годов (20-го века) группой Канеля были начаты систематические исследования влияния температуры на динамическую прочность металлов при сжатии и при растяжении. За выполненными с использованием yISAR/а исследованиями алюминия и магния до температур плавления [8, 9], вплоть до плавления был исследован цинк [10], до 900 К конструкционный титановый сплав [11], до 850 К Армко-же-лезо [12]. Основываясь на результатах этих исследований Канель впервые ввел понятие "термического упрочнения" чистых ГЦК металлов (Al, Cu, s-Co) вызванного усиливающимся с температурой взаимодействием движущихся дислокаций с колебаниями атомов кристаллической решетки (фононами).

Такого рода объяснения оказались, однако, непригодными в случае таких металлов как титан, молибден, железо, чья динамическая прочность падает с температурой. Механизмы, контролирующие изменение отклика твердых тел на высокоскоростное нагружение не ясны до конца даже в случаях, когда исследуемый материал остается одной и той же фазой во всем интервале исследуемых температур. При наличии же фазовых переходов, несущественно первого рода или второго, ситуация становится еще более запутанной.

С 2003-го года систематические исследования ударно-волнового поведения материалов проводятся в Лаборатории Динамического Поведения Материалов в Университете Бен-Гуриона в Негеве (Беер-Шева, Израиль). С самого начала этих работ стало понятно, что фазовые превращения оказывают существенное влияние на динамическую прочность и металлов [13], и металлических сплавов [14]. В случае урана [13] близость к границе между а и в фазами урана или нахождение в двухфазной, а + в, области, 650—750°C, приводят к существенному, с 0.7 ГПа до 1.4 ГПа, росту его динамического придела упругости У0.2 (фиг. 1, а, кривая 1). Статическая прочность того же урана, кривая 2, меняется с температурой совершенно по-другому. В случае жаропрочного сплава Inconel 718 (фиг. 1, b), в окрестности пика динамической прочности (кривая 1) нет фазовых превращений в обычном смысле, как нет и пика статической (кривая 2) прочности. В то же время, на основании роста теплоемкости Inconel 718 (кривая 3 на фиг. 1, b) в этом диапазоне температур с 0.6 до 0.7 J/kg K можно заключить, что этот пик прочности сопровождается какими-то структурными изменениями в сплаве, возможно перестройкой ближнего порядка.

Фиг. 1

Фиг. 2

Эти, первые, результаты послужили мотивацией для продолжения исследований динамической прочности твердых тел испытывающих фазовые превращения первого или второго пода. Задача настоящей работы дать обзор усилий направленных на изучение поведения материалов с фазовыми превращениями при ударно-волновом на-гружении. Во втором разделе кратко обсуждаются методики разогрева образцов непосредственно перед нагружением. Третий раздел посвящен результатам экспериментальных измерений изменений динамической прочности металлов в окрестности фазовых переходов первого рода и возможным теоретическим интерпретациям наблюдаемого поведения. В четвертом разделе будут рассмотрены превращения второго рода (магнитные превращения в никеле, железе и кобальте). В пятом разделе будут обсуждены возможные механизмы упрочнения металлов в окрестности фазовых переходов. В заключительном разделе выводы, основывающиеся на уже выполненных работах, будут дополнены некоторыми соображениями, касающимися будущих исследований такого рода.

2. Методы нагрева. Как в высокотемпературных исследованиях урана [13] и жаропрочного сплава [14], так и в работах обсуждаемых ниже, используется метод прямого радиационного нагрева образца. Выбор именно такой техники нагрева диктовался ее гибкостью, простотой исполнения и способностью не нарушать геометрические условия нагружения (одноосная деформация).

Схема нагрева, используемая, с небольшими модификациями, во всех обсуждаемых работах и вид образца с нагревателем со стороны ствола показаны на фиг. 2. Не-

нагружаемая (свободная) поверхность квадратного, 12 мм х 12 мм, образца толщиной 1—3 мм полуокружена спиралями нагревателя (0.5 мм Канталевая проволока, цементное крепление спиралей нагревателя показано пунктирной линией), который, в свою очередь, закрыт экраном из высокотемпературного цемента. Металлические фольги меньшей, 0.05—0.5 мм, толщины сначала наклеиваются циано-ацетатным клеем на поверхность оптически плоского стекла, и к свободной поверхности фольги высокотемпературным цементом приклеивается медная шайба 1.5-мм толщины. После удаления клея (растворение в ацетоне) склеенная композиция используется как образец. Щель в защитном экране размером 2.5 мм х 12 мм предназначена для подвода к образцу термопарных проводов, для доступа к его свободной поверхности зондирующего лазерного луча и для керамической трубки диаметром 2 мм, подводящей к поверхности образца поток аргона, защищающий образец от окисления.

При такой схеме нагрева неоднородность распределения температуры вдоль свободной поверхности образца не превышает 5 К, в то время как максимальная разность между температурами передней и задней поверхностей образца нагретого до 1400 К не превышает 15 К. Сборка образец-нагреватель фиксируется с помощью высокотемпературного цемента в плоском стальном кольце, в котором закреплены электрические контакты, предназначенные для измерений скорости ударника и непараллельности поверхностей ударника и образца. Стальное кольцо, в свою очередь, крепится в держателе образца, расположенного в 30—35 мм от уреза ствола лабораторной пушки калибра 59 мм. Сам держатель образца имеет 2 колебательные степени свободы, позволяющие, с помощью микрометрических винтов, устанавливать непараллельность ударника и образца менее 0.5 миллирадиан. Данная схема нагрева образца обеспечивает ударно-волновое нагружение образца толщиной 0.05—3 мм нагретого до 1400 К ударником, скорость которого измеряется с точностью ±5 м/с.

3. Упрочнение, вызванное наличием фазового перехода. Титан. При комнатной температуре а -титан имеет гексагональную плотноупакованую решетку (ГПУ). При 1155К а-фаза титана переходит в более плотную (разница удельных объемов ~0.3%) Р -модификацию имею

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