1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Теплофизика высоких температур
  4. T. 58, № 5, 2020

Теплофизика высоких температур, 2020, T. 58, № 5, стр. 823-825

Откольная прочность титана при высокоскоростном растяжении

Е. В. Струлева 1, *, П. С. Комаров 1, С. И. Ашитков 1

1 ФГБУН Объединенный институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН)
Москва, Россия

* E-mail: struleva.evgenia@yandex.ru

Поступила в редакцию 31.03.2020
После доработки 18.06.2020
Принята к публикации 24.06.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Методом спектральной интерферометрии с пикосекундным разрешением исследовано движение тыльной свободной поверхности пленочной титановой мишени субмикронной толщины под действием ультракороткого импульса ударного сжатия, создаваемого с помощью фемтосекундного лазера. Определено значение откольной прочности титана вблизи теоретического предела прочности при скорости деформирования ~109 с–1.

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время значительный интерес вызывает поведение материалов под действием механических нагрузок предельно короткой длительности, создаваемых с помощью лазеров пико- и фемтосекундного диапазонов [1–8]. Подобные исследования имеют большое значение для развития теории фазовых переходов, прочности и пластичности, разработки широкодиапазонных уравнений состояния вещества, расчетного прогнозирования интенсивных импульсных воздействий на материалы и конструкции в широком диапазоне параметров нагрузки, развития лазерных технологий обработки материалов. Известно, что прочность материала существенно возрастает с увеличением скорости его растяжения [9]. Предельное значение прочности, или так называемая идеальная прочность, соответствует спинодали конденсированного состояния вещества. Расчетное значение идеальной прочности титана при растяжении составляет 21.5 ГПа [10]. Приблизиться к идеальной прочности можно путем увеличения скорости деформирования вещества $\dot {\varepsilon }$, что достигается либо уменьшением длительности ударной нагрузки, либо увеличением ее амплитуды. В настоящее время наибольшие скорости деформирования $\dot {\varepsilon }$ ~ 108–109 с–1 наблюдаются в лазерных экспериментах с импульсами пико- и фемтосекундной длительности.

В данной работе с помощью интерферометрической методики непрерывной регистрации движения поверхности с использованием частотно-модулированного (чирпированного) диагностического импульса впервые измерена откольная прочность титана в твердой фазе вблизи предела теоретической прочности в пикосекундном диапазоне длительности нагрузки, созданной воздействием на вещество импульсами фемтосекундной длительности.

ЭКСПЕРИМЕНТ

В экспериментах использовалась оптическая схема, подробно описанная ранее в работе [11]. Источником фемтосекундных лазерных импульсов являлась титан-сапфировая лазерная система, генерирующая импульсы длительностью 40 фс с энергией до 2 мДж на длине волны 800 нм. Лазерная система входит в состав Центра коллективного пользования “Лазерный фемтосекундный комплекс”.

В качестве экспериментального образца использовалась пленка титана толщиной 410 ± 10 нм, нанесенная методом магнетронного напыления на стеклянную подложку. Лазерное воздействие на образец осуществлялось со стороны стеклянной подложки, а диагностика инициируемых процессов проводилась на тыльной (свободной) поверхности. Импульс накачки фокусировался линзой с фокусным расстоянием 10 см через подложку на поверхность металлической пленки с радиусом пучка 15 мкм по уровню е–1 с гауссовым распределением интенсивности. Энергия в каждом импульсе измерялась калиброванным фотодиодом. После каждого воздействия мишень перемещалась на новое место с помощью микроманипулятора.

Для диагностики смещения свободной поверхности мишени часть чирпированного импульса длительностью 300 пс с шириной спектра 40 нм и центральной длиной волны ${{\lambda }_{0}}$ = 800 нм отводилась из лазерного тракта перед компрессором. В экспериментальной схеме собран интерферометр Майкельсона, совмещенный с дифракционным спектрометром Acton-2300i. В каждом эксперименте записывались три типа интерферограмм: интерферограмма поверхности образца до воздействия (начальная), в момент воздействия выхода ударной волны (временнáя) и после окончания процесса – спустя несколько секунд после воздействия (финальная). Сопоставление начальной и временнóй интерферограмм дает информацию о динамике ударно-волнового процесса.

Применяемая методика измерений обеспечивала непрерывную регистрацию динамики процесса во временнóм интервале $\Delta t$ = 0–200 пс с временны́м разрешением $\delta t \approx $ 2 пс. Более подробно методика измерений описана в работе [11].

Для восстановления пространственно-временны́х распределений изменения фазы $\Delta \varphi (x,t)$ отраженной от мишени диагностической волны применялся двумерный фурье-анализ интерферограмм [11–13]. Изменение фазы $\Delta \varphi \left( t \right)$ описывает смещение границы поверхности $z(t)$, величина которой определяется из соотношения $z(t) = \frac{{\Delta \varphi (t)\lambda }}{{4\pi }}$. За величину экспериментальной погрешности сдвига фазы принимается значение дисперсии шумов в невозмущенной области фазового распределения $\Delta \varphi (x,t)$ [13]. Реализуемая в описываемых экспериментах погрешность измерения фазы не превышала $\delta \varphi \approx $ 0.02 рад, что соответствует точности определения смещения поверхности на уровне $\delta z \approx $ (1–2) нм.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 приведены измеренный профиль смещения $z(t)$ тыльной свободной поверхности титанового образца и профиль скорости ${{u}_{{fs}}}(t)$, полученный дифференцированием зависимости $z(t)$. Профили построены для центральной части области взаимодействия при энергии лазерного импульса $E = $ 43 мкДж.

Рис. 1.

Зависимость смещения (1) и скорости (2) движения свободной поверхности титанового образца от времени при $E = $ 43 мкДж.

Отражение импульса сжатия от свободной поверхности образца приводит к возникновению в нем растягивающих напряжений, величина которых нарастает по мере распространения отраженной волны от поверхности в глубь образца. В случае превышения прочности материала ${{\sigma }_{{{\text{spall}}}}}$ растягивающими напряжениями в образце происходит откольное разрушение [9]. Релаксация напряжений при разрушении приводит к образованию вторичной волны сжатия – откольного импульса, которая, достигая свободной поверхности, приводит ко второму возрастанию ее скорости. Величина растягивающего напряжения непосредственно перед разрушением определяется методом характеристик по декременту скорости свободной поверхности $\Delta {{u}_{{fs}}}$ между ее максимальным значением и значением перед откольным импульсом [9].

Откольная прочность в упругопластическом теле для импульсов нагрузки треугольной формы определяется по выражению ${{\sigma }_{{{\text{spall}}}}} = \rho {{c}_{l}}\Delta {{u}_{{fs}}}\frac{1}{{1 + {{{{c}_{l}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{c}_{l}}} {{{c}_{b}}}}} \right. \kern-0em} {{{c}_{b}}}}}}$ [14]. Здесь ${{\rho }_{{}}}$ = 4.5 г/см3 – значение начальной плотности, ${{c}_{l}}$ = 6.3 км/с – продольная скорость звука [15], ${{c}_{b}}$ = 4.87 км/с – объемная скорость звука в титане [16], $\Delta {{u}_{{fs}}}$ = 1.2 ± 0.2 км/с – разность между максимальным и минимальным значениями скорости свободной поверхности на рис. 1. Погрешность определения декремента скорости обусловлена точностью измерения сдвига фазы. Соответствующее значение откольной прочности при этом ${{\sigma }_{{{\text{spall}}}}}$ = 14.8 ± 2 ГПа.

Под скоростью деформирования $\dot {\varepsilon }$ в ударно-волновых экспериментах понимается скорость расширения вещества в разгрузочной части падающего импульса сжатия. Скорость деформирования определяется по соотношению $\dot {\varepsilon } = \frac{{\Delta {{u}_{{fs}}}}}{{\Delta t}}\frac{1}{{2{{с}_{l}}}}$ [17] и составляет $\dot {\varepsilon } \approx $ 3.5 × 109 с–1. Толщина откола оценивается по формуле ${{L}_{{{\text{spall}}}}} = {{c}_{l}}({{t}_{{\min }}} - {{{{t}_{{\max }}})} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{t}_{{\max }}})} 2}} \right. \kern-0em} 2}$ [17]. Из рис. 1 следует, что при $\Delta t = {\text{ }}t{}_{{\min }} - \,{{t}_{{\max }}} \approx $ 27 пс откольное разрушение в титане происходит в твердом состоянии на расстоянии ${{L}_{{{\text{spall}}}}} \approx $ 80–90 нм от тыльной поверхности образца. Таким образом, откольная прочность титана в твердом состоянии на разрыв более чем в 6 раз превосходит значение динамической прочности расплава титана при схожих скоростях деформирования ~109 с–1 [18].

На рис. 2 полученное в настоящей работе значение динамической откольной прочности титана сопоставляется с данными экспериментов с соударением пластин в микросекундном диапазоне длительности ударно-волновой нагрузки.

Рис. 2.

Изменение динамической откольной прочности титана в зависимости от скорости деформирования по данным настоящей работы (1) и литературным данным: 2 – [16], 3 – [19], 4 – [20].

Как видно, с ростом скорости растяжения имеет место существенное увеличение динамической прочности титана на разрыв. При этом реализованное в настоящей работе значение ${{\sigma }_{{{\text{spall}}}}}$ составляет около 70% от значения “идеальной” откольной прочности титана [10].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Интерферометрическим методом с пикосекундным разрешением исследована динамика движения свободной поверхности титана под действием растягивающих напряжений, создаваемых импульсами фемтосекундной длительности. Впервые определена откольная прочность титана при скорости деформирования 3.5 × 109 с–1, равная 14.8 ± 2 ГПа. Полученные в настоящей работе данные позволяют характеризовать тенденцию роста динамической прочности титана в широком диапазоне скоростей деформирования.

Список литературы

  1. Ашитков С.И., Агранат М.Б., Канель Г.И. и др. Поведение алюминия вблизи предельной теоретической прочности в экспериментах с фемтосекундным лазерным воздействием // Письма в ЖЭТФ. 2010. Т. 92. С. 568.

  2. Whitley V.H., McGrane S.D., Eakins D.E. et al. The Elastic-plastic Response of Aluminum Films to Ultrafast Laser-generated Shocks // Appl. Phys. 2011. V. 109. P. 013505.

  3. Crowhurst J.C., Armstrong M.R., Knight K.B. et al. Invariance of the Dissipative Action at Ultrahigh Strain Rates above the Strong Shock Threshold // Phys. Rev. Lett. 2011. V. 107. P. 144302.

  4. Smith R.F., Eggert J.H., Rudd R.E., Swift D.C., Bolme C.A., Collins G.W. High Strain-rate Plastic Flow in Al and Fe // J. Appl. Phys. 2011. V. 110. P. 123515.

  5. Ashitkov S.I., Agranat M.B., Kanel G.I., Fortov V.E. Approaching the Ultimate Shear and Tensile Strength of Aluminum in Experiments with Femtosecond Pulse Laser // AIP Conf. Proc. 2012. V. 1426. P. 1081.

  6. Ашитков С.И., Комаров П.С., Агранат М.Б. и др. Реализация предельных значений объемной и сдвиговой прочности железа при воздействии фемтосекундными лазерными импульсами // Письма в ЖЭТФ. 2013. Т. 98. С. 439.

  7. Crowhurst J.C., Reed B.W., Armstrong M.R. et al. The α → ∈ Phase Transition in Iron at Strain Rates up to ∼109 s–1 // J. Appl. Phys. 2014. V. 115. P. 113506.

  8. Ашитков С.И., Комаров П.С., Струлева Е.В., Агранат М.Б., Каннель Г.И. Механические и оптические свойства ванадия под действием ударных нагрузок пикосекундного диапазона // Письма в ЖЭТФ. 2015. Т. 101. С. 294.

  9. Канель Г.И., Фортов В.Е., Разоренов С.В. Ударные волны в физике конденсированного состояния // УФН. 2007. Т. 177. С. 809.

  10. Ogata S., Li J., Hirosaki N., Shibutani Y., Yip S. Ideal Shear Strain of Metals and Ceramics // Phys. Rev. B. 2004. V. 70. P. 104104.

  11. Струлева Е.В., Комаров П.С., Ашитков С.И. Интерферометрическая диагностика нанодеформаций поверхности мишени в пикосекундном диапазоне при импульсном лазерном воздействии // Вестн. ОИВТ РАН. 2018. Т. 1. № 1. С. 130.

  12. Geindre J.P., Audebert P., Rebibo S., Gauthier J.C. Single-shot Spectral Interferometry with Chirped Pulses // Opt. Lett. 2001. V. 26. P. 1612.

  13. Temnov V.V., Sokolovski-Tinten K., Zhou P., von der Linde D. Ultrafast Imaging Interferometry at Femtosecond Laser-excited Surfaces // J. Opt. Soc. Am. B. 2006. V. 23. P. 1954.

  14. Канель Г.И. Искажение волновых профилей при отколе в упругопластическом теле // ПМТФ. 2001. Т. 42(2). С. 194.

  15. Физические величины. Спр. / Под ред. Гри-горьева И.С., Мейлихова Е.З. М.: Энергоатомиздат, 1991. 148 с.

  16. Kanel G.I., Razorenov S.V., Zaretsky E.B., Herrman B., Meyer L. Thermal “Softening” and “Hardening” of Titanium and Its Alloy at High Strain Rates of Shock-wave Deforming // Phys. Solid State. 2003. V. 45. P. 656.

  17. Eliezer S., Moshe E., Eliezer D. Laser-induced Tension to Measure the Ultimate Strength of Metals Related to the Equation of State // Laser and Particle Beams. 2002. V. 20. P. 87.

  18. Струлева Е.В., Комаров П.С., Ашитков С.И. Динамическая прочность расплава титана при предельно высоких скоростях растяжения // ТВТ. 2019. Т. 57. № 6. С. 957.

  19. Whelchel R.L., Mehoke D.S., Iyer K.A., Sanders T.H., Jr., Thadhani N.N. Dynamic Yielding and Fracture of Grade 4 Titanium in Plate Impact Experiments // J. Appl. Phys. 2016. V. 119. P. 115 901.

  20. Zaretsky E.B. Impact Response of Titanium from the Ambient Temperature to 1000°C // J. Appl. Phys. 2008. V. 104. P. 123 505.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Теплофизика высоких температур

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал