Г.И.Канель Полиморфные превращения и фазовые переходы

Многофазные системы: природа, человек, общество, технологии
Уфа, 21–25 июня 2010 г. ИМех УНЦ РАН
Полиморфные превращения
и фазовые переходы
при ударном сжатии конденсированных сред
Г.И. Канель
Объединенный институт высоких температур
РАН
• Метод
• Полиморфные превращения при ударном
сжатии
• Поиск превращений при растяжении
• Плавление, испарение
ГЕНЕРАЦИЯ УДАРНЫХ ВОЛН
Us
Us
Образец
Ударник
t1
t2
Us
Давление ударной волны определяется скоростью соударения
Длительность ударного сжатия определяется толщиной ударника
Область и продолжительность одномерного движения определяются
диаметром ударника
ДВУХВОЛНОВЫЕ КОНФИГУРАЦИИ И
УДАРНЫЕ ВОЛНЫ РАЗРЕЖЕНИЯ
(a)
2
(b)
Давление
Давление
3
1
k
Удельный объем
pph
2
1
k
0
V0
Время
ВЗРЫВНЫЕ МЕТАТЕЛЬНЫЕ
УСТРОЙСТВА
Взрывная линза
Заряд ВВ
Ударник
Образец
Материал ударников – алюминий
Скорость удара
0.4 – 5.3 км/с
Толщина ударников
0.05 – 10 мм
Давление в ударных волнах
0.1 – 100 ГПа
Длительность ударной нагрузки
0.02 мкс – 4 мкс
Лазерный Доплеровский измеритель
скорости VISAR
Временное разрешение ≤10-9 с; Пространственное разрешение ~0.1 мм
ВЛИЯНИЕ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА НА СТРУКТУРУ
ВОЛН СЖАТИЯ И РАЗРЕЖЕНИЯ
Доступные параметры нагрузки:
Плоский ударник или пучок
•Давление сжатия:
0.1 − 100 GPa
•Длительность нагрузки: 10 ns −10 μs
•Временное разрешение измерений
< 1 ns
Образец
VISAR
Скорость поверхности, км/с
ufs(t)
1.2
Сталь 40Х
0.8
Δ ufs
Предел упругости на ударной
адиабате:
HEL = ρ0clufsHEL/2
Откол
Предел текучести:
σ т = HEL (1-2ν)/(1-ν)
Полиморфное
превращение
Откольная прочность:
σsp = ρ0cb (Δufs + δ )/2
0.4
Упругий предвестник (HEL)
0.0
0 .0
0.2
0 .4
0.6
Время, мкс
0.8
1.0
Давление превращения:
pα→ε= ρ0D1ufs1/2
ДИАГНОСТИКА БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИХ ПРОЦЕССОВ:
измерения давления, испытания при повышенных
температурах
Скорость поверхности, км/с
Напряжение сжатия, ГПа
30
Армко-железо
Сталь 35Х3НМ
20
10
0
0
1
2
Время, мкс
3
4
1.2
o
590 C
480oC
0.8
o
20 C
0.4
0.0
Армко-железо
2.46 мм
0.0
0.2
0.4
0.6
Время, мкс
Чрезвычайно высокая скорость превращения в условиях ударного сжатия.
Влияние полиморфизма на процессы высокоскоростного удара и пробивания.
Производство сверхтвердых материалов.
Изучены субмикросекундные полиморфные превращения при ударном
сжатии железа и сталей, титана, графита, нитрида бора, ....
0.8
1.0
Полиморфные превращения железа
Ударная
адиабата
20
1200
Ананьин и др,
1981,
разгрузка
o
10
405
o
480
o
580
Barker and
Hollenbach, 1974,
разгрузка
0.85
0.90
V/V0
γ
1000
800
Ударные
волны
Статика
600
400
ε
α
200
Экстраполированная
адиабата ε-фазы
0
0.80
Температура, K
Напряжение сжатия, ГПа
30
0.95
1.00
0
0
2
4
6
8
10
12
Давление, ГПа
Прямые измерения уточняют фазовую
диаграмму
14
16
18
50 мкм
50 мкм
Скорость поверхности, км/с
Влияние размера зерна на полиморфное
превращение железа при ударном сжатии
1.2
Отожженный
2.46 мм
Деформированный
2.40 мм
0.8
0.4
Армко-железо
0.0
0.0
0.2
0.4
0.6
Время, мкс
0.8
1.0
3000
Graphite
te -di
a mo
nd c
o exi
s te n
ce (w
2000
1500
1000
500
0
Diamond
cubic + hexagonal
+ graphite
Calculations with
semi-empirical potential
(Ghiringhelli et al, 2005)
0
5
W.H. Gust, Phys.Rev. B
22, 4744 (1980)
cubic
Exp
. gra
phi
Temperature, 0C
2500
it h c
atal y
sts )
Прямое превращение графитграфит-алмаз
10
15
Transformation
under
shock compression
20
25
Pressure, GPa
T. Irifune, A. Kurio, S. Sakamoto, T. Inoue, H. Sumiya, K. Funakoshi.
Phys. Earth and Planetary Interiors, 143, 593 (2004)
D.J. Erskine and W.J. Nellis,
J. Appl. Phys., 71, 4882 (1992)
L. Ghiringhelli, J. Los, E. M eijer, A. Fasolino, D. Frenkel. Phys. Rev.
Let., 94, 145701 (2005).
• При комнатной температуре прямое превращение происходит при
давлении ~20 ГПа в условиях как ударного, так и статического сжатия.
• Фаза высокого давления не сохраняется при разгрузке после ударного и
статического сжатия при комнатной температуре.
Массовая скорость, км/с
Высокоориентированный пиролитический
графит (ВОПГ)
1.5
o
ВОПГ 0.2
Pt =22.3 ГПа
Pt =19.83 ГПа
Pt=20.24 ГПа
o
ВОПГ 1.7
1.0
0.5
2.25 g/cm
0.0
0.0
Нат. графит,
5% ромб. фазы
3
2.17 г/см
3
0.5
1.0
Время, μс
• Увеличение мозаичного рассеяния понижает давление превращения.
• Превращение ВОПГ происходит с ускорением; в прессованном графите
ускорение на начальной стадии и замедление в конце.
• Максимальная скорость превращения 2.5×107 с-1 для ВОПГ и 8 ×106 с-1 для
прессованного графита.
Превращение при отражении волны от «окна»
Массовая скорость, км/с
2.5
2.0
1.5
1.0
Окно ПММА,
p < ptr при отражении
Окно LiF,
p > ptr при
отражении
0.5
0.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
Время, μс
Релаксация за фронтом первой волны в экспериментах с окнами LiF вызвана
превращением в отраженной волне.
Массовая скорость, км/с
Графит с различным размером зерна
20-50 μ м
0.25 - 4 μ м
1.5
Терморасширенный,
5−30 нм
1.0
2.03-2.08 г/см
Терморасширенный графит
3
1.6
0.5
0.0
1.4
1.2
0.00
0.25
0.0
0.50
0.2
0.4
0.75
1.00
Время, μс
• Мелкозернистые графиты демонстрируют меньшую среднюю,
но более высокую начальную скорость превращения.
• Это можно интерпретировать как более высокую скорость
зарождения в материале с большой межзеренной поверхностью.
Скорость поверхности, км/с
LiF Window
LiF W indow
Graphite
T
II
1.5
2.185 г/см3, 2.87 мм
T
Graphite
Влияние ориентации
II
3
2.169 г/см , 4.25 мм
1.0
0.5
Прессованный графит ОСЧ-T1,
измерения на границе графит/LiF
0.0
0.0
0.5
1.0
Время, мкс
Сдвиги в базисных плоскостях
затрудняют превращение
графит-алмаз.
Влияние ориентации
1.5
An ab initio study of graphite
under shock compression
T
Массовая скорость, км/с
o
3.16 мм 45
20.94 ГПа
II
1.0
2.9 мм
20.77 ГПа
3.2 мм
18.9 ГПа
0.5
0.0
Прессованный природный графит
3
2.08 г/см
5% ромбоэдрической фазы
0.0
0.5
1.0
Время, μс
C.J. Mundy et al. J. Chem. Phys., 128, 184701 (2008)
Одноосное ударное сжатие
1.5
Скорость поверхности, км/с
Массовая скорость, км/с
3.0
MS < 0.2o
p3 = 0.68
MS = 1.7
p3 = 0.74
1.0
o
ВОПГ
3
2.25 г/см
0.5
0.0
0
200
400
600
Время, нс
Графит:
Объемный модуль B = 33.8…36.5 ГПа
Продольный модуль (вдоль оси c):
E’ = 34…38.7 ГПа
Zn (0001)
46.5 ГПа
2.5
30.7 ГПа
2.0
1.5
19.2 ГПа
16.4
1.0
13.2
11.6 ГПа
0.5
0.0
0
50
100
Время, нс
Цинк: E’ ≈ B = 64 ГПа
Неясно, была ли пластическая деформация перед превращением.
150
Влияние температуры
2.08 г/см 3
5% ромб. фазы
o
1.5
477 C
20 oC
1.2
0.9
1.6
0.6
1.4
0.3
1.8
1.2
0.0
0.0
0.0
0.2
0.1
0.2
0.4
0 .3
0.6
0.4
0.8
0.5
1.0
1.2
Время, μс
С ростом температуры:
• Понижается давление превращения
Массовая скорость, км/с
Массовая скорость, км/с
1.8
• Возрастает скорость превращения.
o
1.5
460 C
o
1.2
20 C
0.9
0.6
3
0.3
0.0
Графит прессован., 2.148 гg/см
p3=0.85, 27% ромбоэдр. фазы
0.0
0.3
0.6
Время, μ с
0.9
1.2
Температурные зависимости давления превращения
3000
п. (с
ка та
лиз а
торо
м)
Кубический алмаз
Графит
о
Температура, C
2500
Гра
фита лм
аз эк
с
2000
Прозрачный
алмаз
1500
Кубич. + гексагон.
+ графит
1000
3
ρ0=2.148 г/см ,
25-28 % ромб.фазы
3
ρ0=2.08 г/см ,
500
0
5 % ромб.фазы
0
5
10
15
20
25
Давление, ГПа
Давление превращения с нагревом уменьшается, оставаясь
значительно выше равновесного.
Для обеспечения необратимого превращения в кубический алмаз
требуется достижение «надбарьерного» состояния.
Напряжение
Деформация сплавов с эффектом памяти формы
Охлаждение
σM
ε
ε
ε
ε
ε
Mk Mi Ai A k
Нагрев
ε
Md
Теипература
Напряжение
C
Y
ϕ
A
Упругость
B
Обычная
пластичность
Напряжение, МПа
800
Ti - 51 at.% Ni
600
400
Ti - 49 at.% Ni
200
Пластичность вследствие
мартенситного превращения
0
-200
Деформация
-100
0
100
200
o
Температура, C
300
Ni 50,6-Ti49,4
400
σHEL,
σT,
МПа
30oC
2.67 мм
300
ГПа
Ni 50,6-Ti 49,4
УМЗ
800
3
УМЗ
600
200
400
2
Ni4 8.9 -Ti5 1.1
Ti - 51 at.% Ni,
статика
o
140 C
2.82 мм
100
0
0
100
200
1
200
-78oC
2.4 мм
Ti - 49 at.% Ni
статика
0
-200
300
-100
0
100
200
300
o
Температура, C
Время, нс
Псевдоупругость
σϕ
B
A
Пластичность вследствие
мартенситного превращения
Упругость
Скорость поверхности, м/с
400
Напряжение
Скорость поверхности, м/с
Ударное сжатие сплавов с эффектом памяти
формы
300
200
100
o
20 C
0
Деформация
Ni48.9-Ti51.1
0
100
200
Время, нс
300
0
АНОМАЛИИ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ
ДИНАМИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ
o
650 C
6 00
4 00
o
407 C
o
20 C
2 00
Толщина образцов 2.85 мм.
0
0.0
0.1
0.2
Время, мкс
•
•
•
0.3
Скорость поверхности, м/с
Скорость поверхности, м/с
Результаты опытов с монокристаллами алюминия
800
o
600
260мкм, 622 C
400
200
o
425 мкм, 20 C
0
0
20
40
60
Время, нс
Высокая прочность на разрыв сохраняется при нагреве до температуры
лишь на 10о ниже точки плавления
Динамический предел текучести аномально возрастает с нагревом
Зависимость предела текучести от скорости деформирования приводит к
сильному затуханию упругого предвестника
80
ИЗМЕНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ АЛЮМИНИЯ ПРИ
УДАРНОМ СЖАТИИ И ПОСЛЕДУЮЩЕМ РАСТЯЖЕНИИ
ни
е
Пл
ав
ле
о
Температура, К
11 00
10 00
o
648 C
9 00
622
o
556 C
8 00
-2
0
2
4
6
8
10
Давление, ГПа
•
•
•
Адиабатическое расширение смещает состояние кристалла к кривой плавления
В ходе растяжения траектория изменения состояния кристалла пересекает
кривую плавления при температуре <Tмелт
Переход через кривую плавления не сопровождается изменением сжимаемости
и падением прочности
ОТКОЛЬНАЯ ПРОЧНОСТЬ МОНОКРИСТАЛЛОВ И
ПОЛИКРИСТАЛЛОВ ВБЛИЗИ ПЛАВЛЕНИЯ
.
6 -1
.
5 -1
Откольная прочность, ГПа
Откольная прочность, ГПа
4
3 10 c
3
5 10 c
Al
2
Zn (0001)
1
0
0
200
400
600
o
Температура, C
•
•
•
1.5
1.0
Mg
Al
0.5
- Алюминий АД1
- Магний Мг95
0.0
0 .4
0 .6
0.8
1 .0
Гомологическая температура T/Tпл
Переход через кривую плавления не сопровождается изменением прочности
монокристаллов
Прочность поликристаллов падает с приближением к температуре плавления
В монокристаллах реализуются состояния перегретого твердого тела; в
опытах с поликристаллами имеет место эффект «предплавления»
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ИМПУЛЬСА
СЖАТИЯ В СТЕКЛЕ К8
15
0.3
10
0.2
5
0.1
0
0
0
Деформация сжатия
Напряжение сжатия, ГПа
Г.И.Канель, А.М.Молодец. Журнал технической физики, т.46, № 2, стр.398-407 (1976)
6.6 мм
1
2
3
4
0.0
Время, мкс
• Упругая волна сжатия «размывается» из-за аномальной сжимаемости.
• В области пластичности происходит необратимое уплотнение стекла.
• Уплотнение обеспечивает пластичность.
Fe
Скорость поверхности, м/с
20
Ударная адиабата
0
-3.4 ГПа
A
-10
σsp
B
-13.4 ГПа
-20
-30
0.8
500
Fe
δ=43μм
400
δ =315 μм
300
200
107 μм
δ=185 μм
100
0
Fe
0
50
100
150
200
250
300
Время, нс
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
V/V293K
Первопринципные расчеты (Синько и
Смирнов) предсказывают электронные
топологические переходы в железе при
отрицательных давлениях и 0°К.
Ожидалось формирование ударной волны
разрежения в области электронных
переходов.
Измерения при комнатной температуре не
выявили аномалий волновых профилей.
20
Откольная прочность, ГПа
Давление, ГПа
Синько и Смирнов, 2004
10
600
10
7
Mo
Fe
5
4
3
Al
2
1
4
10
5
10
.
V/V0, c
6
10
-1
7
10
8
Al фольга 50 μм
Ti фольга 50 μм
Давление, ГПа
Скорость поверхности, км/с
Испарение в разгрузке
Al фольга 25μм
6
Al фольга 50 μм
4
Al фольга 50 μм
2
10
Ударная
адиабата
1
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
Эксперименты
0.1
0.01
0
1.0
0
2
Al фольга 50 μм
1.5
Ti фольга 50μм
1.0
Д авлени е
2
0
0.5
0.00
0.25
0.50
Время, μс
0.75
0.0
1.00
Скорость поверхности, км/с
2.0
Давление, ГПа
Скорость поверхности, км/с
8
4
4
6
8
10
Массовая скорость, км/с
Время, μс
6
Изэнтропы
разгрузки
8
A l foil 50 μm
Ti foil 50μm
HP EOS
6
LP EOS
4
PMMA
2
0
0.0
0.2
0.4
0.6
Время, μс
0.8
1.0
РЕГИСТРАЦИЯ ПЛАВЛЕНИЯ В
РАЗГРУЗКЕ ПОСЛЕ УДАРНОГО СЖАТИЯ
Thank you for your attention!