CC BY
132
Физическая мезомеханика деформируемого твердого тела как многоуровневой системы. II. Явление взаимного проникания частиц разнородных твердых тел без нарушения сплошности под воздействием концентрированных потоков энергии
В.Е. Панин, А.В. Панин, Д.Д. Моисеенко, А.Д. Шляпин1, Ю.С. Авраамов1, В.И. Кошкин1
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 1 Московский государственный индустриальный университет, Москва, 115280, Россия
Описаны закономерности взаимного проникания частиц в композитах «сталь - медно-свинцовый шликер» и «железо - свинец» под электроимпульсным или ударно-волновым воздействием. Предложена теоретическая трактовка наблюдаемых явлений на основе многоуровневого подхода физической мезомеханики и концепции атом-вакансионных конфигурационных возбуждений в сильнонеравновесных системах.
Physical mesomechanics of a deformed solid as a multilevel system. II. Effect of particle interpenetration of different solids without discontinuities under the action of concentrated energy fluxes
V.E. Panin, A.V. Panin, D.D. Moiseenko, A.D. Shliapin1, Yu.S. Avraamov1, VI. Koshkin1
Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634021, Russia 1 Moscow State Industrial University, Moscow, 115280, Russia
The regularities of particles interpenetrating in the composites "steel - copper-lead slurry" and "iron - lead" under electro-impulse and shock actions are described. It is proposed the theoretical interpretation of such phenomena on the basis of the multilevel approach of physical mesomechanics and the conception of atomic and vacancy configuration excitations in strongly non-equilibrium systems.
1. Введение
В работах [1, 2] при метании взрывом металлического порошка размера порядка микрометра быш обнаружен эффект сверхглубокого проникания твердых частиц в металлическую мишень на глубины нескольких сантиметров. При этом мишень сохраняла свою сплошность. Обсуждению этого аномального явления посвящен ряд работ [3-7 и др.]. Однако до сих пор наблюдаемый эффект ясного физического объяснения не имеет. Анализ сверхглубокого проникания отдельной твердой частицы в металлическую мишень без нарушения ее сплошности не укладывается в традиционные представления физики и механики деформируемого твердого тела.
По физической сущности наиболее близка к действительности модель, развитая в работе [7]. В ней предлагалось учитывать воздействие на мишень всего потока метаемых частиц, которые должны вызывать изменения состояния самой мишени. Особое состояние мишени связывалось в [7] с сильно возбужденными состояниями (или атом-вакансионными возбуждениями), которые были введены в [8-10] два десятилетия назад. Однако, во-первых, само предположение о влиянии всего потока метаемых частиц на состояние мишени требует прямого экспериментального подтверждения. Во-вторых, предлагаемая в [7] модель микрокумуляции рассмотрена в одноуровневом приближении механики де-
© Панин В.Е., Панин A.B., Моисеенко Д.Д., Шляпин А.Д., Авраамов Ю.С., Кошкин В.И., 2006
формируемого твердого тела. Поэтому автору [7] пришлось вводить такие допущения, как образование в мишени удлиненной цилиндрической поры, возникновение высоких температур и давлений в областях микрокумуляции для развития процессов перекристаллизации и аморфизации материала в окрестности треков.
Всех этих допущений можно избежать в рамках другой постановки эксперимента — многоуровневого описания движения фронта высокоэнергетического воздействия на мишень и последовательного использования концепции атом-вакансионных конфигурационных возбуждений. При описании двухуровневой системы «сильно возбужденный кристалл - равновесная подложка» принципиально важно рассмотреть условие совместности деформации на границе их раздела. Согласно [11] на такой границе раздела возникает «шахматный» характер распределения сжимающих и растягивающих нормальных напряжений. В зонах сжимающих нормальных напряжений материал интрудируется, и на всей границе раздела возникает система углублений, распределенных в виде «шахматной доски». Движение такого фронта в условиях атом-вакансионных конфигурационных возбуждений способно обеспечить вязкое проникание твердых частиц в подложку без нарушения ее сплошности.
2. Постановка задачи
Центральным вопросом в объяснении эффекта сверхглубокого проникания частиц в подложку без нарушения сплошности, конечно, является обоснование концепции о радикальном изменении состояния самой подложки в условиях высокоэнергетического воздействия на нее на фронте ударного нагружения. Для ответа на этот вопрос необходима другая постановка эксперимента, в котором высокоэнергетическое воздействие на подложку задается независимо от ее взаимодействия с твердыми частицами. В предлагаемом эксперименте вместо метания взрывом порошка на равновесную металлическую преграду целесообразно разместить металлический порошок на поверхности мишени и затем циклически воздействовать на всю эту систему импульсным концентрированным потоком энергии. В такой постановке эксперимента задача сводится к многоуровневому анализу взаимодействия твердых частиц с мишенью на границе раздела «сильно возбужденный слой - подложка».
Авторы настоящей работы стоят на позиции, что при воздействии на твердое тело концентрированных потоков энергии любой природы радикально изменяется состояние твердого тела. Модель сверхглубокого проникания частиц нельзя строить на базе материала в исходном состоянии. В условиях сильного возбуждения в междоузлиях кристаллической решетки возникают новые разрешенные структурные состояния, которые соответствуют возбужденному неравновесному кристаллу. Со-
гласно [8-10] на N атомов твердого тела в условиях сильного возбуждения имеется 2N структурных состояний, половина которых оказываются вакантными. При нагружении такого материала возникают коллективные атом-вакансионные конфигурационные возбуждения, которые обусловливают гидродинамический массопере-нос, когда атомы коллективно перемещаются через междоузлия.
В последние годы концепция атом-вакансионных состояний получает широкое распространение [12-17]. Правда, различные авторы для классификации подобных состояний используют различные термины: прекур-сорные состояния [12, 13], возбужденные состояния [14, 15], обратимые превращения мартенситного типа [16], пары инверсно заселенных электронных состояний [17]. Однако природа их едина: они закономерно возникают в твердых телах в условиях их сильного отклонения от термодинамического равновесия.
С целью подтверждения концепции авторов о необходимости многоуровневого подхода к описанию задачи и определяющей роли атом-вакансионных конфигурационных возбуждений в явлении сверхглубокого проникания частиц в преграду эксперимент был поставлен в принципиально другой постановке: твердые частицы покоились на мишени, а мишень подвергалась воздействию высокоэнергетических импульсов электрического тока или взрывному нагружению. В ходе циклического высокоэнергетического воздействия было обнаружено не только сверхглубокое проникание твердых частиц на всю глубину мишени, но и взаимное проникание двух разнородных сред с фрагментацией на мезоуровне всего материала металлической подложки.
3. Результаты эксперимента
Основные результаты экспериментальных исследований опубликованы в [18-20]. В данной работе остановимся на тех фактах, которые наглядно иллюстрируют их природу в рамках описания деформируемого твердого тела как многоуровневой системы и возникновения атом-вакансионных конфигурационных возбуждений в условиях высокоэнергетических воздействий на материалы.
На рис. 1 представлены результаты структурного анализа стального листа после нанесения на него шли-керного слоя, содержащего порошок свинца и меди в соотношении 50:50, и пропускания импульсов электрического тока. В верхней части листа (рис. 1, а) четко видна механическая смесь меди, свинца и фрагментов стали. Принципиально новым результатом на рис. 1, а является обнаружение в композиции «медь - свинец» фрагментов стального листа. Другими словами, необходимо обсуждать не только сверхглубокое проникание в подложку частиц меди и свинца, а взаимное проникание частиц меди, свинца и стали. Основная матрица пред-
Рис. 1. Микроструктура композиции «стальная полоса - порошковый шликер Си-РЬ» после электроимпульсной обработки. Размер изображений 90x60 мкм2. Верхняя (а), средняя (б) части и обратная сторона (в) стальной полосы
ставляет собой пересыщенный твердый раствор меди в железе. На рис. 1, б показана микроструктура средней части стального образца с хорошо видным включением меди при полном сохранении сплошности окружающего материала.
На рис. 1, в показана микрофотография этой же стальной полосы с противоположной стороны, на которой хорошо видны включения частиц меди, прошедшие сквозь стальной лист с сохранением сплошности материала. И в нижнем слое листа также формируется механическая смесь частиц меди, свинца и фрагментов стали. Это свидетельствует о фрагментации материала листа при прохождении через него фронта частиц меди и свинца. Это действительно подтверждается при мик-рорентгеноспектральном анализе образца (после электроимпульсной обработки) в характеристическом излучении меди.
На рис. 2 приведены результаты микрорентгено-спектрального анализа того же образца, что представлен на рис. 1, в характеристическом излучении меди.
Рис. 2. Микрорентгеноспектральный анализ образца стали после электроимпульсной обработки. Характеристическое излучение меди. Средняя часть пластины. Образование (а) и массоперенос (б) крупной частицы стали
Данные результаты позволяют сделать ряд важных заключений. Прежде всего, без нарушения сплошности в исходный стальной образец проникают только мелкие частицы меди размером порядка микрометра. Крупные частицы в средней части образца формируются в результате агломерирования мелких частиц в сильнонеравновесной механической смеси «сталь - медь». Процесс агломерации развивается стадийно.
На начальной стадии в зоне А размером ~15 мкм агломерируется механическая смесь частиц меди и фрагментов стали (рис. 2, а). Затем в этой зоне формируется ядро В, состоящее из конгломерата рафинированных фрагментов стали с включениями частиц меди. Ядро В окружено кольцевой зоной С из пересыщенного твердого раствора Cu-Fe на основе меди. Как следствие, в зоне А возникает сильнонеравновесная система с многоуровневой структурой. В подобной среде становится возможным движение стального ядра как целого при последующем импульсном высокоэнергетическом воздействии.
Такое движение крупного конгломерата стальных фрагментов в обогащенной медью среде представлено в виде трека KL на рис. 2, б. Движение справа-вниз-налево происходит в направлении максимальных касательных напряжений т max, при этом конгломерат стальных фрагментов текстурируется вдоль направления
т
max
На рис. 2, б можно видеть зародыш конгломерата механической смеси частиц меди и железа в зоне О, а также вихревой характер локализованного сдвига в обогащенной медью зоне МЫ. Подобный вихревой сдвиг, по-видимому, аккомодирует вязкое течение материала в треке КЬ позади смещающегося вдоль КЬ конгломерата стальных фрагментов.
Оценить однозначно роль свинца в описанных выше закономерностях образования механических смесей частиц «медь - свинец - сталь» пока не представляется возможным. Очень вероятно, что в условиях электроимпульсного воздействия легкоплавкий свинец переходит в жидкое состояние. Это способствует механическому перемешиванию разнородных частиц и вязкому течению материала в треках за проникаемыми частицами. Такое влияние свинца качественно подобно эффекту активированного спекания порошковых смесей [21], когда добавление более легкоплавкого малорастворимого порошка-активатора резко снижает температуру спекания порошка тугоплавких металлов. Но, как и в случае эффекта активированного спекания, в основе влияния свинца при сверхглубоком проникании частиц лежат механизмы массопереноса (частиц свинца, меди, стали).
Более подробно это было изучено в специальных экспериментах по прониканию свинца в образец из железа в условиях ударно-волнового воздействия. В этом случае лист свинца размещался на пластине железа, а сверху помещалось взрывчатое вещество. При ударно-волновом нагружении свинец сохранялся в твердом состоянии, но проникал вглубь пластины. Если между взрывчатым веществом и композицией «свинец - железо» возникал зазор, то глубина проникновения свинца в железо экспоненциально уменьшалась по мере возрастания величины зазора.
На рис. 3 представлен микрорентгеноспектральный анализ железа в характеристическом излучении свинца после взрывного нагружения двухслойной композиции «свинец - железо». Особого внимания на рис. 3 заслуживает мезообьем С, в который свинец проникает вдоль мезополос локализованного сдвига по направлению максимальных касательных напряжений. При одной системе сдвигов весь мезообьем С испытывает поворот как целое, как это и предсказывает физическая мезомеханика. Этот процесс поворота сопровождается возникновением в образце трещины. В средней части образца свинец агломерируется в крупные конгломераты.
Эти результаты наглядно иллюстрируют следующие положения:
1) В основе проникания одного материала в другой лежат механизмы массопереноса путем локализованного пластического течения на мезомасштабном уровне.
2) Если локализованные сдвиги развиваются только в одной системе скольжения, то в образце возникают трещины, связанные с поворотом мезообьемов как целого. Для вязкого проникания одного металла в другой
Рис. 3. Микрорентгеноспектральный анализ железа в характеристическом излучении свинца после взаимодействия со свинцом в условиях ударно-волнового воздействия
необходимы поворотные механизмы деформации на более низком мезомасштабном уровне. Другими словами, в крупном мезообьеме С должна развиваться система мелких мезовихрей, которые могут обеспечить поворот мезообьема С без возникновения трещины. Подобное условие хорошо известно в аэродинамике.
3) В средней части образца происходит агломерирование частиц свинца в крупные конгломераты.
Сопоставление результатов, представленных на рис. 1-3, показывает, что закономерности взаимного проникания частиц разнородных металлов при высокоэнергетическом воздействии определяются рядом факторов:
- мощностью подводимого концентрированного потока энергии;
- возможностью возникновения при высокоэнергетическом воздействии прослоек жидкой фазы;
- наличием фракции мелких твердых частиц.
Роль первых двух факторов связана с особенностями
поведения сильнонеравновесных систем. В основе третьего фактора лежит мезомеханика взаимодействия разнородных твердых тел при воздействии на них концентрированных потоков энергии. Остановимся на этом подробнее.
4. Физическая мезомеханика массопереноса при взаимном проникании частиц разнородных сред в условиях высокоэнергетического воздействия
Для обьяснения описанных выше закономерностей необходимо дать ответ на следующие три вопроса:
1. Как влияет высокоэнергетическое воздействие на структурное состояние твердого тела?
2. Какова мезомеханика массопереноса при взаимном проникании частиц двух разнородных сред в условиях высокоэнергетического воздействия?
3. В чем физическая природа вязкого проникания твердых частиц без нарушения сплошности?
По мнению авторов работы, все три концептуально важных вопроса связаны с возникновением сильнонеравновесных состояний в кристаллах при воздействии на них концентрированных потоков энергии. Механическое поведение сильнонеравновесных кристаллов рассмотрено в работах [22-26] на основе концепции сильно возбужденных состояний (или атом-вакансион-ных конфигурационных возбуждений) в твердых телах [8-10].
Согласно этой концепции в условиях сильного возбуждения в качестве исходного следует рассматривать состояние кристалла, характеризуемое максимумом неравновесного термодинамического потенциала, для которого функция распределения атомов в пространстве качественно отличается от таковой для идеального кристалла. Наряду со структурными состояниями исходного кристалла в условиях сильного возбуждения в пространстве междоузлий появляются новые разрешенные структурные состояния, которые могут быть либо вакантными, либо занятыми сильно возбужденными атомами. В кристалле возникают новые степени свободы. Сильно возбужденный кристалл становится, по существу, суперпозицией нескольких структур, и число разрешенных структурных состояний в системе значительно превышает число атомов. Такие состояния в кристалле были названы в [8-10] сильно возбужденными или атом-вакансионными. Они вполне естественно объясняли нелинейный характер поведения сильнонеравновесного кристалла, аномально большие скорости массо-переноса в нем, поскольку атомы и виртуальные вакансии в данных условиях могут формировать коллективные конфигурационные возбуждения и вызывать гидродинамический характер течения.
Принципиально важным в новом подходе является то, что любое локальное нарушение структуры сильно возбужденного кристалла следует рассматривать не просто как дефект, а как новое разрешенное структурное состояние, генетически заложенное в электронно-энергетическом спектре кристалла. Предсказать все возможные структурные состояния твердого тела можно только в рамках теории сильно возбужденного кристалла, в котором число степеней свободы больше, чем у кристалла в основном состоянии.
Существование в реальном кристалле помимо его основного структурного состояния целой совокупности других локальных структур обусловлено фактором производства энтропии при движении сильнонеравновесного твердого тела к равновесию. При образовании пар «атом - виртуальная вакансия» возникают локализованные электронные состояния, которые определяют формирование кластеров с различными атомными конфигурациями. Подобные кластеры, перестраиваясь в полях градиентов напряжений, осуществляют пластическое
течение как волновой процесс, описываемый уравнением Кортевега-де-Вриза [11]. Пластическое течение сильно возбужденного неравновесного кристалла подобно поведению во внешнем поле экситонной материи.
Мезомеханика массопереноса металлических частиц в зоне сильно возбужденных состояний в подложке связана с эффектом «шахматной доски» в квазипериодическом распределении напряжений и деформаций на интерфейсах в нагруженном твердом теле [26].
Периодическое распределение нормальных и касательных напряжений на границе раздела двух разнородных сред было показано впервые в одномерном приближении [27-30]. Такое распределение означало, что на интерфейсе двух нагруженных сред возникает чередование зон сжимающих и растягивающих нормальных напряжений. Касательные напряжения также периодически изменяют свой знак вдоль интерфейса, но со сдвигом фазы на П2 относительно нормальных напряжений. Анализ подобной задачи в двухмерном приближении в [31] привел к заключению, что распределение напряжений и деформаций на интерфейсах двух разнородных сред должно иметь вид «шахматной доски». Это действительно было подтверждено теоретически и экспериментально в [26].
Теоретические расчеты в трехмерном приближении были проведены с использованием стохастического подхода в модели возбудимых клеточных автоматов.
В рамках данной модели процесс деформации твердого тела рассматривается как результат перераспределения поступающей энергии по элементарным мезо-объемам нагруженного образца. Моделируемый трехмерный образец разбивается на сеть возбудимых клеточных автоматов, каждый из которых представляет ме-зоскопический элемент среды (мезообъем), находящийся в одном из пяти состояний, характеризующих упругую, неупругую и пластическую деформации, а также деформационное упрочнение и предразрушение материала. Клеточный автомат характеризуется величиной внутренней энергии элемента среды. Ввиду стохастического распределения концентраторов напряжений в реальной среде на мезоуровне на нулевом шаге алгоритма величина внутренней тепловой энергии для каждого автомата задается случайным образом. Каждому из состояний автомата соответствует определенный интервал энергий с нечеткими границами, которые являются пороговыми значениями для перехода мезообъе-ма моделируемой системы в следующее состояние.
При получении клеточным автоматом энергии извне случайным образом определяется, какая часть полученной энергии пойдет на увеличение тепловой энергии, а какая — на изменение объема данного элемента среды. Стохастичность в данном случае обусловливается тем, что распределение концентраторов напряжений определяется мезомасштабным уровнем моделируемых объектов, т.е. подчиняется вероятностным принципам. В ре-
зультате на каждом временном шаге алгоритма известны значения как тепловой энергии, так и работы по изменению обьема и формы каждого элемента среды, что позволяет рассчитать значения компонент тензора напряжений и деформаций для каждого мезообьема, а затем получить компоненты тензора деформаций для всего образца.
Для выявления на интерфейсе «поверхностный слой - подложка» картины распределения напряжений в виде «шахматной доски» целесообразно рассматривать начальную стадию нагружения, когда исходное распределение напряжений слабо искажено пластическим течением материала. Поэтому в тензоре напряжений все недиагональные компоненты были занулены, что позволило рассчитать по формулам Мурнагана [32] распределение на интерфейсе только нормальных напряжений и связанных с ними деформаций. Результаты проведенных расчетов для деформационного профиля интерфейса «поверхностный слой - подложка» представлены на рис. 4. Темные клетки на рис. 4 соответствуют зонам сжимающих нормальных напряжений, светлые клетки — зонам растягивающих нормальных напряжений. Как и предполагалось в [31], для удовлетворения условия совместности двух сред с разными модулями упругости на их интерфейсе распределение сжимающих и растягивающих нормальных напряжений и связанных с ними деформаций имеет вид «шахматной доски».
Для экспериментального подтверждения «шахматного» характера распределения деформации на границе раздела «наноструктурированный поверхностный слой - подложка» проведены структурные исследования для двух типов нагружения: одноосного сжатия и знакопеременного изгиба. Активное нагружение сжатием проведено на сплаве циркония Э-125 состава 2г + 2.5 % №. Цирконий имеет полиморфное а-в-превра-
20 10 0 10 20
Рис. 4. Деформационный профиль в виде «шахматной доски» на поверхности деформируемого материала; модуль упругости Е8 поверхностного слоя составляет (относительно соответствующей характеристики Еь обьема материала) Е,, = 1/2 Еь; толщина подложки принималась бесконечно большой по сравнению с толщиной поверхностного слоя
щение, что обусловливает низкую сдвиговую устойчивость его поверхностных слоев. Образцы в виде параллелепипеда 4x2x0.7 мм3 с наноструктурированными ультразвуковой обработкой боковыми поверхностями подвергали сжатию при 293 К. Деформационный профиль наноструктурированных поверхностных слоев после сжатия образца до 8 = 5 % представлен на рис. 5. Лазерная профилометрия четко выявила клеточную структуру наноструктурированного поверхностного слоя. Важно подчеркнуть, что в деформированном поверхностном слое нет ступенек кристаллографического скольжения, характерных для деформации равновесных поликристаллов. Весь наноструктурированный поверхностный слой в ходе деформации сжатием приобретает двухуровневую клеточную структуру. Линейный размер крупных клеток составляет ~ 80 мкм при размере зерен
подложки--5...6 мкм. Профиль крупной клеточной
структуры характеризуется непрерывным изменением сильно выраженной кривизны поверхности. Формирование подобной сильной кривизны на интерфейсе с кристаллической подложкой затруднительно. Поэтому на рис. 5 видна также мелкая клеточная структура с линейным размером клеток ~ 5...6 мкм, что совпадает с размером зерен подложки. Это свидетельствует об аккомодационной природе мелкой клеточной структуры. Она аккомодирует кривизну поверхности на более низком масштабном уровне при формировании «шахматной» структуры наноструктурированного поверхностного слоя образца при сжатии. Глубина вдавленного материала в темных клетках на рис. 5, а и б достигает 0.5 мкм (рис. 5, в).
Качественно подобная картина формирования клеточной структуры наводороженного поверхностного слоя технического титана ВТ1-0 при его знакопеременном изгибе получена в [26, 33]. Титан имеет полиморфное превращение и характеризуется очень низкой сдвиговой устойчивостью (его энергия дефекта упаковки составляет всего 10 эрг/см2). Высокое химическое сродство с водородом позволяет реализовать в наводорожен-ном поверхностном слое титана очень низкую сдвиговую устойчивость. Отметим в связи с этим теоретическую работу [34], где показано, что в присутствии водорода наблюдается легкое структурное перестроение на-нокластеров титана с а- и в-атомными конфигурациями. Другими словами, пластическая деформация наводоро-женного поверхностного слоя титана может осуществляться квазивязким перестроением нанокластеров с различными атомными конфигурациями.
При знакопеременном изгибе пластическую деформацию испытывает только поверхностный слой образца. Его сопряжение с упруго деформированной подложкой должно формировать «шахматную» структуру деформации сдвигонеустойчивого поверхностного слоя. Это действительно подтвердили эксперименты [26, 33] (рис. 6).
0.743 мкм
390 мкм
Рис. 5. Формирование «шахматной» структуры в боковом наноструктурированном поверхностном слое (толщиной 300 мкм) циркониевого сплава Э-125 при сжатии; Т = 293 К; 8 = 5 %; лазерная интерферометрия. Морфология поверхности (а, б), профилограмма АВ (в)
Эффект «шахматной доски» в распределении напряжений на интерфейсе «сильнонеравновесный слой -подложка» позволяет связать проникание частиц как целое с зонами сжимающих нормальных напряжений, где материал вдавливается в подложку. Поскольку фронт импульсного воздействия на металлическую подложку эстафетно распространяется через всю глубину подложки, частицы могут перемещаться под действием сжимающих нормальных напряжений вместе с фронтом сильно возбужденного слоя материала, используя эффект гидродинамического массопереноса в условиях
коллективных атом-вакансионных возбуждений. Другими словами, эффект «шахматной доски» в распределении напряжений на интерфейсе «поверхностный слой -подложка» должен эстафетно распространяться вместе с фронтом атом-вакансионных состояний, увлекая с собой частицы с поверхности вглубь материала.
Наряду с этим, клетки «шахматного» интерфейса, испытывающие растягивающие нормальные напряжения, будут способствовать фрагментации материала стальной подложки. Как следствие, после серии импульсов высокоэнергетического воздействия на композицию
Рис. 6. а — мезополосы локализованного течения в конгломерате зерен К наводороженного в течение 1 ч поверхностного слоя технического титана при знакопеременном изгибе, Т = 273 К, ABCD — граница реструктурированного конгломерата зерен К, вдоль фрагмента АВ которой произошло разрушение, х370; б — объемная профилометрическая картина «шахматной» структуры зоны локальной интрузии; знакопеременный изгиб, N = 12.4 • 106 циклов
Трещина
4JXJ1 %JXJXJXJXJXJ'
\\XJXJXJ
\m
Мезополосы
Мезрпо/юсы
Рис. 7. Моделирование деформации на поперечном срезе композиции «наноструктурированный поверхностный слой - подложка» в зоне интерфейса; сжатие; стохастический метод возбудимых клеточных автоматов: а — поворот мезообьема А как целого с образованием трещины в условиях развития сдвигов вдоль одного направления ттах; б — вязкий характер деформации мезообьема А при развитии вихревого пластического течения
«порошковый шликер - подложка» в материале подложки возникают механические смеси «твердые частицы шликера - фрагменты подложки».
Чтобы за проникаемой частицей сохранялась сплошность материала подложки, необходим вихревой характер гидродинамического пластического течения. Вытесняемый частицей материал на фронте «сильно возбужденный слой - подложка» должен вязко обтекать частицу и заполнять пространство ее трека. Необходимые для этого условия получены стохастическим методом возбудимых клеточных автоматов для поперечного среза «поверхностный слой - подложка» (рис. 7). Как видно из рис. 7, с зонами максимальных значений сжимающих и растягивающих нормальных напряжений на интерфейсе связаны мезополосы локализованной деформации в подложке, распространяющиеся по сопряженным направлениям максимальных касательных напряжений ттах. Они интрудируют материал в зонах сжимающих нормальных напряжений и экструдируют его в зонах растягивающих нормальных напряжений. Мезообьем А испытывает при этом поворот как целое. Если такой поворот не аккомодируется более мелкими вихрями внутри мезообьема А, то в зоне экструзии материала возникает трещина (рис. 7, а).
Подобная схема реализована в эксперименте, результаты которого представлены на рис. 3. Свинец при ударно-волновом воздействии проникает в подложку из железа путем сдвигов по направлению ттах. Энергетическое воздействие было недостаточным для возбуждения мелких вихрей во всем мезообьеме, где проникает свинец, и поворот мезообьема сопровождается возникновением трещины. Моделирование проникания свинца в подложку в условиях вязкого гидродинамического те-
1 Моделирование мезовихрей в мезообьеме А проводится путем придания возбудимому клеточному автомату еще одной степени свободы — поворотной моды. Результаты такого моделирования будут представлены в отдельной статье.
чения требует развития в мезообьеме А мелких мезовихрей, как это показано на рис. 7, б.1 В этих условиях поворот мезообьема А сопровождается вязким затеканием материала за проникающими в подложку частицами. Это достигается, прежде всего, высокоэнергетическим воздействием на систему «частицы - подложка», которое обеспечивает возникновение в подложке коллективных атом-вакансионных конфигурационных возбуждений. Кроме того, возникновению мезовихрей при сверхглубоком проникании должны способствовать повороты самих проникающих частиц. Для этого они должны быть достаточно мелкими.
5. Заключение
Описаны закономерности взаимного проникания частиц разнородных сред при воздействии на них концентрированных потоков энергии.
Проведенный теоретический анализ позволяет сделать заключение, что в основе явления проникания одного твердого металлического вещества в другое твердое металлическое вещество без нарушения сплошности последнего под воздействием концентрированных потоков энергии лежат следующие принципиально важные положения:
- эффект «шахматной доски» в распределении напряжений и деформаций на интерфейсе двух разнородных сред в полях внешних воздействий;
- возникновение сильно возбужденных состояний и связанных с ними атом-вакансионных конфигурационных возбуждений в зоне интерфейса под воздействием концентрированных потоков энергии;
- многоуровневый вихревой массоперенос в сильно возбужденной среде в условиях возникновения коллективных атом-вакансионных конфигурационных возбуждений.
Работа выполнена при финансовой поддержке интеграционного проекта СО РАН № 90, проектов №№ 8.8 и 9.6 программ фундаментальных исследований Президиума РАН, проекта РФФИ № 06-08-08059-офи.
Литература
1. A.C. 584578 СССР. Способ объемного легирования изделий / П.А. Витязь, С.М. Ушеренко, В.Я. Фуре, Ю.А. Ковалевич. - Опубл. в Б.И., 1975, № 18.
2. A.C. 703585 СССР. Способ изготовления инструмента / С.М. Уше-
ренко, И.И. Фетисов, Г.Г. Загорский. - Опубл. в Б.И., 1979, №2 46.
3. Взаимодействие потока частиц с материалом преграды // Протокол
заседания секции «Синтез новых материалов динамическими методами». - Минск: Институт механики и надежности машин АН БССР, 1987. - 27 с.
4. Черный Г.Г. Механизм аномально низкого сопротивления при движении тел в твердых средах // ДАН СССР. - 1987. - Т. 292. -№ 6. - С. 1324-1328.
5. Григорян C.C. О природе «сверхглубокого» проникания твердых микрочастиц в твердые материалы // ДАН СССР. - 1987. - Т. 292.-№ 6. - С. 1319-1323.
6. Альтшулер Л.В., Андилевко C.K., Романов Г.С., Ушеренко С.М. О
модели сверхглубокого проникания // Письма в ЖТФ. - 1989. -Т. 15. - Вып. 5. - С. 55-57.
7. Макаров П.В. Модель сверхглубокого проникания твердых микро-
частиц в металлы // Физ. мезомех. - 2006. - Т. 9 - №2 3. - С. 61-70.
8. Панин В.Е., Егорушкин В.Е., Хон Ю.А., Елсукова Т. Ф. Атом-вакан-
сионные состояния в кристаллах // Изв. вузов. Физика. - 1982. -Т. 24. - № 12. - С. 5-28.
9. Панин В.Е. Новая область физики твердого тела // Изв. вузов. Физика. - 1987. - Т. 30. - № 1. - С. 3-8.
10. Егорушкин В.Е., Панин В.Е., Cавушкин Е.В., Хон Ю.А. Сильно возбужденные состояния в кристаллах // Изв. вузов. Физика. -1987. - Т. 30. - № 1. - С. 9-33.
11. Панин В.Е., Егорушкин В.Е., Панин А.В. Физическая мезомеханика деформируемого твердого тела как многоуровневой системы. I. Физические основы многоуровневого подхода // Физ. мезомех. -2006. - Т. 9. - № 3. - С. 9-22.
12. Полухин В.А. Моделирование наноструктуры и прекурсорных состояний. - Екатеринбург: УрО РАН, 2004. - 207 с.
13. Псахье C.r., Зольников К.П., Крыжевич Д..C., Тюменцев А.Н. О термофлуктуационном формировании локальных структурных изменений в кристалле в условиях динамического нагружения // Физ. мезомех. - 2005. - Т. 8. - № 5. - С. 55-60.
14. Cu\рота Н.Н. К термодинамике возбужденных состояний // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2005. - №2 12. -С. 4-9.
15. &аков Ю.А. Объемное наноструктурное состояние при деформации порошков в высокоэнергетической шаровой мельнице как возбужденное состояние кристаллического материала // Тезисы III Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур», Москва, 18-20 апреля 2006. - М.: МИСиС, 2006. - С. 118.
16. Тюменцев А.Н., Литовченко И.Ю., Пинжин Ю.П., Шевченко Н.В. Атомные модели образования дислокаций и механического двой-никования в ГЦК-кристаллах // Доклады РАН. - 2005. - Т. 403. -№ 5. - С. 623-626.
17. Кащенко М.П., ^оринова Н.А., Чащина В.Г. Пары инверсно населенных состояний электронов в оптимальном для генерации волн интервале энергий // Изв. вузов. Физика. - 2005. - Т. 48. -№ 5. - С. 44-48.
18. Исследование контактных явлений на границе раздела сплавов на основе железа и ванадия с расплавом свинца при импульсных
воздействиях различной природы. Отчет о научно-исследовательской работе. - М.: МГИУ, 2004. - 136 с.
19. Avraamov Y.S., Koshkin V.l., Shliapin A.D. Formation of structure in alloys based on the system with limited solubility in liquid state // J. Guangzhou Inst. Nonferrous Metals. - 2005. - V. 15. - Nos. 2-3. -P. 34-41.
20. Заявка на открытие «Явление проникновения одного твердого металлического вещества в другое твердое металлическое вещество без нарушения сплошности последнего, заключающееся в том, что при контактном взаимодействии двух объектов названного типа под воздействием концентрированных потоков энергии происходит перенос массы одного вещества в другое в количестве и на расстояние, которые зависят от энергии и длительности импульса» / Ю.С. Авраамов, В.И. Кошкин, А.Д. Шляпин и др. - 2006.
21. Ристич M.M., Трефилов В.И., Мильман Ю.В., Гриднева И.В., Дру-шевич Д. Структура и механические свойства спеченных материалов. - Белград: Изд. Серб. АН, 1992. - 261 с.
22. Панин В.Е., Лихачев B.A., Гриняев Ю.В. Структурные уровни деформации твердых тел. - Новосибирск: Наука, 1985. - 229 с.
23. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1995. -Т. 1. - 298 с.
24. Панин В.Е. Актуальные проблемы физической мезомеханики деформируемого твердого тела // Физ. мезомех. - 2006. - Т. 9. -№ 3. - С. 5-8.
25. Панин В.Е., Панин А.В. Эффект поверхностного слоя в деформируемом твердом теле // Физ. мезомех. - 2005. - Т. 8. - №2 5. - С. 715.
26. Панин В.Е., Панин А.В., Моисеенко Д.Д., Елсукова Т.Ф., Кузина О.Ю., Максимов П.В. Эффект «шахматной доски» в распределении напряжений и деформаций на интерфейсах в нагруженном твердом теле // Доклады РАН. - 2006. - Т. 409. - № 5. - С. 1-5.
27. Гриняев Ю.В., Панин В.Е. Расчет напряженного состояния в упруго нагруженном поликристалле // Изв. вузов. Физика. - Т. 24. -1978. - № 12. - С. 95-101.
28. Панин В.Е., Плешанов В.С., Гриняев Ю.В., Кобзева С.А. Формирование периодических мезополосовых структур при растяжении поликристаллов с протяженными границами раздела // ПМТФ. -1998. - Т. 39. - № 4. - С. 141-147.
29. Cherepanov G.P. On the theory of thermal stresses in a thin bonding layer // J. Appl. Phys. - 1995. - V 78. - No. 11. - P. 6826-6832.
30. Моисеенко Д.Д., Максимов П.В., Соловьев И.А. Стохастический подход к многоуровневому моделированию возмущений на границах раздела в нагруженном твердом теле // Физ. мезомех. - 2004. -Т. 7. - № 2. - С. 19-24.
31. Панин А.В. Нелинейные волны локализованного пластического течения в наноструктурных поверхностных слоях твердых тел и тонких пленках // Физ. мезомех. - 2005. - Т. 8. - № 3. - С. 5-17.
32. Murnaghan F.D. Finite Deformation of an Elastic Solid. - New York: John Wiley & Sons, Inc., 1951. - 140 p.
33. Панин В.Е., Панин А.В., Елсукова Т.Ф., Кузина О.Ю., Кузнецов П.В. Мезоскопические структурные уровни деформации в поверхностных слоях и характер усталостного разрушения поликристаллов при знакопеременном изгибе. Ч. I. Мезоскопическая субструктура // Физ. мезомех. - 2004. - Т. 7. - № 2. - С. 5-17.
34. Демиденко В.С., Зайцев Н.Л., Меньшикова Т.В., Скоренцев Л.Ф. Предвестник виртуальной ß-фазы в электронном строении нано-кластера в а-титане // Физ. мезомех. - 2006. - Т. 9. - №2 3. - С. 5560.
