Фазовые превращения в твердых телах при ударно-волновом нагружении

При определенных взаимно связанных значениях давлений и температур твердые тела могут переходить из одной кристаллографической модификации в другую. Подобные явления, сопровождающиеся изменением объема, выделением (поглощением) скрытой теплоты, представляют собой фазовые переходы первого рода.

Фазовые превращения, вызываемые воздействием ударных волн, имеют особенности, причем возможны следующие явления: переход материала в более плотную фазу, вызывающий излом на адиабате Гюгонио; увеличение объема материала под действием теплоты, выделяемой при ударном сжатии, без аномалий на кривых Гюгонио, например плавление на фронте ударной волны; отсутствие заметного изменения объема и соответственно структуры ударных волн, например, при фазовых переходах в сталях аустенитного класса. Кроме того, под действием ударных волн процессы образования новых фаз, как бездиффузионные, так и сопровождающиеся массопереносом, чаще всего завершаются за доли микросекунд, что свидетельствует о весьма высокой скорости протекания фазовых превращений. Однако объяснить ускорение диффузионных процессов только высоким давлением сжатия не удается, так как при сжатии происходит уменьшение концентрации вакансий, а, следовательно, снижение скорости диффузии. Здесь необходимо учитывать интенсивный пластический сдвиг, приводящий в действие дислокационные механизмы, которые, в свою очередь, резко увеличивают концентрацию вакансий, ускоряющих диффузию. вещество высокопараметрический нагрузка сжатие.

Полиморфизм при ударно-волновых нагрузках экспериментально обнаружен у ряда металлов, окислов, полупроводников, многих минералов и горных пород. Например, аномальный характер адиабаты Гюгонио для железа наблюдается при давлениях около 13ГПа. Результаты статических измерений приводят к значениям давления (11,8…13) ГПа, соответствующих фазовому переходу в железе. При высоких давлениях возможно образование плотноупакованной гексагональнойфазы железа изфазы с объемно-центрированной кубической решеткой, либо изфазы с гранецентрированной кубической решеткой. Тройной точке, А (рис. 2) соответствуют значения давления р~13ГПа и температуры.

T~527 К, т. е. до температуры 527 К возможен переход, а выше 527 К — переход.

Рис. 2. Диаграмма фазового равновесия железа.

После нагружения железа ударными волнами новых фаз в исследуемых образцах не обнаружено, следовательно фазовый переход является обратимым. В то же время в структуре деформированного монокристаллического железа после воздействия ударной волны с максимальным давлением на фронте р < 13ГПа обнаружены двойники деформации, а при 13ГПа < p < 23ГПа наряду с двойниками образуется ленточный рельеф, напоминающий мартенситную структуру. Дальнейшее увеличение фронтального давления не приводит к значительному изменению микроструктуры. Следовательно, обратимое превращение приводит к образованию сильно измельченной и двойникованной структуры высокой твердости внутри оставшихся неизменными по размерам зерен. Превращение сопровождается полной перекристаллизацией металла, близкой к явлению рекристаллизации, которая должна приводить к некоторому понижению твердости. Тем не менее, даже при грубозернистой структуре прочность и твердость железа становятся все же существенно выше исходной.

Анализ фазовых переходов основан либо на равновесном термодинамическом анализе при установившихся режимах распространения ударных волн, либо на кинетических моделях превращения во фронте волн сжатия и разгрузки. На границе области существования равновесной фазовой смеси с однофазной средой, характеризующейся изломом адиабаты Гюгонио (рис.3), термодинамические характеристики терпят разрыв. Ударное сжатие в фазе, А ограничено точкой, а на фазовой границе, где начинается фазовый переход. Фаза В имеет меньший удельный объем, поэтому дальнейшее сжатие продолжается вдоль линии ab, пока полиморфное превращение не завершится в точке b, а фаза В начнет сжиматься вдоль линии bc. Пусть линия Релея od, связывающая начальное состояние ударно сжимаемого твердого тела с конечным, пересекает адиабату Гюгонио. Тогда ударная волна, соответствующая этому состоянию, является неустойчивой и поэтому расщепляется на две (линии Релея oa и od), имеющие разные скорости распространения. Первая ударная волна сжимает материал до состояния, а в начале перехода, а вторая, имеющая меньшую скорость, до состояния d в конце перехода. Превращение может происходить также через одну устойчивую ударную волну, если точка d лежит выше точки с в месте пересечения продолжения линии Релея оа с верхней ветвью адиабаты Гюгонио.

Рассмотрим особенности структуры ударных волн на примере импульсного нагружения железа (стали). При повышении давления до величины p>p_Г в металле кроме упругой волны, распространяющейся со скоростью а, формируется первая пластическая волна. При достижении давления фазового перехода p=p_Ф материал из одного кристаллического состояния переходит в другое, что характеризуется изломом кривой Гюгонио. Далее при р>p_Ф в некотором интервале давлений р пластическая волна разделяется на две пластические волны с различной интенсивностью и разной скоростью распространения.

Вторая пластическая волна имеет меньшую скорость и отстает от первой, а профиль давления растягивается во времени по мере удаления от поверхности расщепления. При максимальном давлении на фронте ударной волны происходит слияние пластических волн.

Процесс разгрузки ударно-сжатого материала за фронтом ударной волны также приводит к расщеплению волны разгрузки на волну упругой и волну пластической разгрузки.

Адиабатическое расширение материала после ударного сжатия до давления p>p_Ф происходит следующим образом. В волне разрежения, образующейся при расширении, частицы в области высокого давления двигаются медленнее, чем частицы в области низкого давления, что приводит к формированию ударной волны разрежения. Ударная волна разряжение, связывающая различные состояния материала, уменьшает напряжения скачком, а ее максимальная интенсивность (для железа А~18ГПа) ограничена линией Релея, которая проведена из точки, соответствующей начальному состоянию, и касается верхней ветви адиабаты Гюгонио.

Ударное воздействие на сталь должно вызывать процессы как упрочняющие, так и разупрочняющие материал. Упрочнение может быть обусловлено дополнительным наклепом зерен и дроблением кристаллических блоков. Разупрочнение может вызываться влиянием нагрева, возникающего в ударно-сжатом материале, так как короткие времена делают процесс близким к адиабатическому. На нагрев материала в условиях адиабатического сжатия расходуется тепловая энергия процесса U_D.

Большой интерес для анализа структурных изменений металлов, подвергаемых ударным нагрузкам, представляет оценка остаточной температуры сразу после разгрузки. Остаточная температура металла весьма значительно зависит от давления на фронте ударной волны. Например, для железа она составляет 303 К при 13 ГПа, 423 К при 35 ГПа, 523 К при 50 ГПа и 673 К при 75ГПа. Следовательно, при давлениях, превышающих (30…50) ГПа, нагрев металла во фронте ударной волны значителен и может оказывать заметное влияние на свойства и структуру металлов (в частности, у метастабильных сплавов остаточная температура может инициировать полиморфное превращение).

Процесс деформации твердого тела при нагружении ударными волнами имеет целый ряд особенностей. Расщепление пластической волны на две или слияние их в одну волну существенно изменяет характер процессов, происходящих в сжимаемом материале. В общем случае изменения, возникающие в структуре материала, зависят от формы и величины импульса, времени его действия, структуры ударного фронта, пути реализации нагрузки и разгрузки.

Анализ многочисленных результатов экспериментов позволяет классифицировать связи между величинами функциональных составляющих тензора напряжений и структурными изменениями материала:

температура в зоне фронта ударной волны и остаточная температура зависят как от гидростатического давления, так и от сдвиговых напряжений, хотя механизмы нагрева различны;

двойникование инициируется главным образом сдвиговыми напряжениями, а гидростатическое напряжение может влиять лишь косвенно;

фазовые превращения в основном обусловлены действием гидростатического компонента тензора напряжений, однако мартенситные превращение стали может быть также вызвано и сдвиговым напряжением или деформацией;

образование точечных дефектов обусловлено в основном сдвиговыми напряжениями, а скорость их диффузии может как увеличиваться, так и уменьшаться в зависимости от гидростатической составляющей тензора напряжений;

энергия дефектов упаковки кристаллической решетки изменяется в зависимости от гидростатического давления;

источниками дислокаций являются дисперсные частицы, так как их сжимаемость отлична от сжимаемости матрицы, следовательно, это явление контролируется гидростатическими напряжениями;

в материалах с некубической симметрией отдельные зерна характеризуются анизотропной сжимаемостью и гидростатическое сжатие приводит к появлению напряжений, обусловленных необходимостью совместности деформаций на границе зерна.

При р>p_c нагружение является одноволновым, время деформации — малым, а преобладающий механизм деформации можно описать следующими стадиями: зарождение дислокаций при реализации теоретической прочности материала; потеря устойчивости кристаллической решетки; сдвиг по атомным плоскостям (что проявляется в резком изменении структуры материала). Например, при ударном нагружении стали давлением р>67ГПа вероятность двойникования снижается, так как появляется механизм с меньшим временем релаксации. Экспериментально установлено, что двойниковая структура при этом исчезает, наблюдается упрочнение металла вследствие вынужденного зарождения предельного числа дислокаций и появляются области сильно локализованной пластической деформации, называемые полосами адиабатического сдвига (ПАС).

Очевидно, что тепло, выделяемое при пластической деформации, концентрируется в окрестности полосы сдвига только в том случае, когда выделение тепла происходит быстрее, чем его отвод за счет теплопроводности. Следовательно быстрое деформирование металла приводит к локализованному нагреву и катастрофическому разрушению по полосам сдвига. Механизмы, генерирующие развитие ПАС, необязательно связаны с локализацией пластического течения, так как нагрев может быть и не очень велик (менее 400 К). В этом случае появление ПАС может быть обусловлено задержкой локализации пластического течения из=за гетерогенности пластических деформаций в поликристаллических материалах.

Нагрев области сдвига зависит от степени пластической деформации и скорости, с которой тепло отводится от зоны сдвига. При этом пластическая деформация в адиабатических полосах сдвига достигает порядка 10⁴ %, скорость деформации — 10⁶ … 10⁸ с^-1, а твердость материала в ПАС значительно превышает твердость основного материала.

Для решения проблем динамики разрушения деформируемого твердого тела большое значение имеет подробный анализ физического механизма и поверхностей разрушения при ударноволновом нагружении. Феноменологические аспекты квазистатического, динамического и импульсного видов деформации и разрушения тождественны для всех скоростей нагружения: зарождение, рост, коалесценция микроскопических пор или трещин. Успешное предсказание характера разрушения по состоянию микроструктуры связано с необходимостью изучения основных закономерностей кинетики разрушения. Для построения соответствующих физических концепций существуют три возможных источника получения необходимой информации: аналитические модели кинетики образования микропор и трещин; алгоритмы и программы, разрабатываемые на основе численного интегрирования дифференциальных законов сохранения и нелинейных физических и механических экспериментальных соотношений; экспериментальные исследования с контролируемыми параметрами нагружения и с последующим количественным описанием процессов деформации и разрушения на микроструктурном уровне. В качестве примера можно привести экспериментальные исследования стального шара, подвергшегося ударно-волновому нагружению (рис. 4,5).

Рис. 4. Концентрическая полость в стальном шаре (марка стали — 60Х3Г8Р8Ф), подвергшимся ударноволновому нагружению.

Рис. 5. Рекристаллизованная структура стали 60Х3Г8Н8Ф после ударно-волнового нагружения.