Всероссийская школа-конференция по механике, 26 31 июля

НОВЫЕ ДАННЫЕ О ТЕМПЕРАТУРНО-СКОРОСТНЫХ ЗАВИСИМОСТЯХ
СОПРОТИВЛЕНИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОМУ ДЕФОРМИРОВАНИЮ И
РАЗРУШЕНИЮ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Г.И. Канель, С.В. Разоренов, Г.В. Гаркушин, С.И. Ашитков, Е.Б. Зарецкий
Объединенный институт высоких температур РАН, Москва
Институт проблем химической физики РАН, Черноголовка
Dept. of Mechanical Engineering, Ben Gurion University, 84105 Beer Sheva, Israel
Недавние исследования поведения металлов и сплавов в условиях ударно-волнового нагружения при
повышенных температурах обнаружили новый эффект, который можно было ожидать, но который не
наблюдался в экспериментах ранее. Хорошо известно, что в нормальных условиях предел текучести материалов уменьшается при нагреве. Однако, ударно-волновые измерения при повышенных температурах показали, что влияние температуры на предел текучести при очень высоких скоростях деформирования может
быть противоположным тому, что имеет место при низких и умеренных скоростях деформирования. Аномальное возрастание предела текучести наблюдалось для нескольких металлов и интерпретировано как свидетельство смены основного механизма движения дислокаций движений от термоактивационного (с участием тепловых флуктуаций при преодолении препятствий) к надбарьерному, контролируемому фононным
трением. В то же время динамический предел текучести высокопрочных металлов и сплавов уменьшается
или остается практически неизменным с ростом температуры.
С целью систематизации температурных эффектов нами проведены измерения затухания упругих
предвестников ударных волн, скорости сжатия в пластических ударных волнах и откольной прочности для
ряда металлов и сплавов, в том числе – высокочистого алюминия и его сплавов, серебра, магниевого сплава,
железа при нормальной и повышенной (вплоть до плавления) температурах. В пикосекундном временном
диапазоне реализовано приближение к предельно возможным («идеальным») значениям объемной и сдвиговой прочности. По результатам измерений построены температурно-скоростные зависимости начального
напряжения течения – предела текучести материалов. Результаты измерений демонстрируют различные
чувствительности напряжения течения к скорости деформирования, которые, очевидно, связаны с превалированием различных механизмов торможения дислокаций. Переход от одного механизма к другому в алюминии имеет место при скорости пластической деформации (1-5)103 с-1, что хорошо согласуется с данными, полученными в экспериментах со стержнями Гопкинсона. Развитие пластической деформации понижает
сопротивление высокоскоростному деформированию, что связывается с размножением дислокаций. При
повышенных температурах измерения демонстрируют более высокие значения динамических пределов
упругости (HEL) серебра, алюминия и его сплавов с низкой твердостью, который, однако, быстро уменьшается по мере распространения волны через образец и приближается к значениям, соответствующим комнатной температуре, на больших расстояниях. Эффект не наблюдался в случае железа и высокопрочных сплавов. Изучено влияние структурных факторов на сопротивление высокоскоростному деформированию и разрушению металлов и сплавов; обнаружено, что эффект в некоторых случаях может отличаться даже по знаку от наблюдаемого при низких скоростях деформации. Вероятно, границы зерен и включения, которые являются препятствиями для движение дислокаций и увеличивают напряжение течения при низкоскоростной
деформации, являются источниками дислокаций в условиях высокоскоростной деформации. Экспериментальные данные обсуждаются с точки зрения соотношения вкладов различных механизмов торможения дислокаций и на этой основе формулируются требования к определяющим соотношениям и моделям высокоскоростного деформирования.
Зависимость скорости разрушения при отколе от величины растягивающего напряжения хорошо описывается степенной функцией, указывающей на достижение идеальной прочности при скорости растяжения
1010-1011 с-1. Увеличение температуры само по себе оказывает слабое влияние на сопротивление откольному
разрушению металлов вплоть до температуры плавления. Значительно больший эффект в сплавах связан со
структурными изменениями при отжиге. Вблизи температуры плавления зависимость резко усиливается в
случае поликристаллических металлов и остается практически неизменной для монокристаллов. Результаты
измерений обсуждаются с точки зрения требований к определяющим соотношениям и моделям высокоскоростного разрушения; приводится пример такого рода определяющего соотношения.
Рецензент: Острик Афанасий Викторович, доктор технических наук, профессор, лаборатория уравнений состояния Отдела ЭКСТР
Опубликованные по теме печатные работы:
1. Г.В. Гаркушин, Г.И. Канель, С.В. Разоренов. Сопротивление деформированию и
разрушению алюминия AD1 в условиях ударно-волнового нагружения при температурах 20 и 600C. Физика твердого тела, 2010, том 52, вып. 11, 2216-2222.
2. Г.В. Гаркушин, О.Н. Игнатова, Г.И. Канель, Л. Мейер, С.В. Разоренов. Субмикросекундная прочность ультрамелкозернистых материалов. Механика Твердого Тела,
2010, № 4, 155-163.
3. С.И. Ашитков, М.Б. Агранат, Г.И. Канель, П.С. Комаров, В.Е.Фортов «Поведение
алюминия вблизи предельной теоретической прочности в экспериментах с фемтосекундным лазерным воздействием» Письма в ЖЭТФ, т. 92, №8, 568-573 (2010).
4. E.B. Zaretsky, G.I. Kanel. Plastic flow in shock-loaded silver at strain rates from 104 s-1
to 107 s-1 and temperatures from 296 K to 1233 K. J. Appl. Phys. 110 (7), 073502 (2011)
5. Разоренов С.В., Канель Г.И., Гаркушин Г.В., Игнатова О.Н. Сопротивление динамическому деформированию и разрушению тантала с различной зеренной
и дефектной структурой. ФТТ, 2012, том 54, выпуск 4, С. 742-749.
6. Г.В. Гаркушин, Г.И. Канель, С.В.Разоренов. Высокоскоростная деформация
и разрушение магниевого сплава Мa-2 в условиях ударно-волнового нагружения.
ФТТ, 2012, том 54, выпуск 5, с. 1012-1018
7. G.I. Kanel. Rate and temperature effects on the flow stress and tensile strength of metals.
In: Shock Compression of Condensed Matter 2011, Eds: M.L. Elert, Wi.T. Buttler, J.P.
Borg, J.L. Jordan, T.J. Vogler. AIP Conf. Proc., 1426, pp. 939-944 (2012)
8. E. B. Zaretsky and G. I. Kanel. Effect of temperature, strain, and strain rate on the flow
stress of aluminum under shock-wave compression. J. Appl. Phys. 112, 073504 (2012)