о возможности прогнозирования поведения металлов и сплавов

О ВОЗМОЖНОСТИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПОВЕДЕНИЯ МЕТАЛЛОВ
И СПЛАВОВ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ
(ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ МОЩНЫХ ИМПУЛЬСОВ ПРОНИКАЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ)
А.Я. УЧАЕВ, В.Т. ПУНИН, Н.И. ЗАВАДА, Е.В. КОШЕЛЕВА, С.А. НОВИКОВ,
Л.А. ПЛАТОНОВА, Н.И. СЕЛЬЧЕНКОВА, Н.А. ЮКИНА
Российский федеральный ядерный центр  Всероссийский НИИ экспериментальной физики,
Саров, Россия
В результате проведенных ранее исследований [1, 2]было показано, что металлы в явлении динамического разрушения обнаруживают универсальные свойства поведения, которые обусловлены
самоорганизацией и неустойчивостями в диссипативных структурах (каскадах центров разрушения),
лежащих в основе сопротивления тела внешнему воздействию. При амплитудах импульсного давления единицы—сотни килобар в диапазоне долговечности t ∼ 10—6 ÷ 10—10 c эволюция микро− и мезоскопических дефектов, каскадов центров разрушения в явлении динамического разрушения является
определяющей в общих закономерностях инвариантного поведения твердых тел при воздействии
теплового удара, вызываемого мощными импульсами проникающих излучений (диапазон начальных
температур T0 ∼ 4K ÷ 0,8 Tпл., темп ввода энергии dE/dT ∼ 106 ÷ 1012 K/c, плотность поглощенной
энергии 10 ÷104 Дж/г) [3].
В табл. 1 приведены значения энергии связи Есв., вид кристаллической решетки, модуль Юнга Е,
показывающие на отсутствие корреляций между указанными величинами и критической плотностью
поглощенной энергии, приводящей к разрушению.
Таблица 1
Энергетические параметры и динамическая прочность кристаллической решетки
№
Металл
Eсв, эв
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Pb
Cd
Sn
Fe
Cu
Ni
Ta
W
Ti
2,0
1,16
3,12
4,3
3,5
4,4
8,1
8,7
4,9
ρ, г/см3
11,3
8,7
5,7
7,8
8,9
8,9
16,7
19,2
4,5
структура
ГЦК
ГПУ
Алмазн.
ОЦК
ГЦК
ГЦК
ОЦК
ОЦК
ГПУ
Е⋅1012, дин/см2
0,47
0,47
1,11
1,68
1,37
1,86
2,0
3,23
1,05
Pкр. , Гпа при t =10—8 c
1,03
1,13
1,23
12,02
6,91
9,66
10,97
14,62
10,19
Отклик твердого тела на внешнее физико−механическое воздействие определяется как его термодинамическим состоянием, так и интенсивностью воздействия. К кардинальному изменению отклика твердого тела на внешнее воздействие может привести, например, увеличение интенсивности
и времени действия нагрузки. Полное разрушение твердого тела определяется как разделение на части под действием нагрузок. К исследованию явления динамического разрушения применен системный подход, особенностью которого является многоуровневое (на различных масштабных уровнях)
исследование системы  нагруженного твердого тела.
Облученный импульсами проникающих излучений образец является неравновесной системой
с характерным временем релаксации. Рассматриваемая нами релаксация представляет частный случай,
О возможности прогнозирования поведения металлов и сплавов в экстремальных условиях
когда движение системы к равновесию оценивается по изменению одного параметра  давления.
Релаксация напряжений может быть достигнута либо акустической разгрузкой, либо образованием
каскада центров разрушения. При увеличении степени неравновесности (увеличении плотности поглощенной энергии) возрастает скорость центрообразования и давление не успевает релаксировать
путем акустической разгрузки.
В результате исследований установлены закономерности формирования каскада центров разрушения; использован метод определения спектрального (по размерам) распределения центров на различных стадиях процесса. Распределение центров разрушения, представленное в универсальных координатах, получается преобразованием подобия. Это свидетельствует о том, что процесс динамического разрушения протекает в рамках одного преимущественного процесса — накопления и роста
центров разрушения, на что приходится основная часть долговечности. Показано, что образующийся
каскад центров разрушения является фрактальным кластером. Процесс накопления центров разрушения, т. е. повреждаемости может быть описан в рамках автомодельного приближения (рис. 1) для
всех исследованных материалов, когда спектральное распределение по размерам центров разрушения имеет вид N(D) ∼ D— α [1—5].
Рис. 1. Распределение по размерам центров разрушения для Fe и Cu в паралельных поверхности
разрушения шлифах
А.Я. Учаев, В.Т. Пунин, Н.И. Завада
Диссипативные структуры являются примером систем, для описания которых необходимо учитывать предысторию. Поведение таких систем описывается немарковскими, т. е. нелокальными во
времени, процессами [6]. Механизмы самоорганизации в диссипативных системах сложнее, чем
в консервативных. Основной задачей является установление количественных инвариантов и установление пространственно−временного скейлинга в коррелированном поведении каскада центров
разрушения.
В квазистатическом диапазоне долговечности тело разрушает, как правило, одна, возникающая
и растущая трещина (дефект, пора, несплошность). Явление разрушения в динамическом диапазоне
долговечности носит делокализованный (многоочаговый) характер, когда в процессе разрушения
возникает каскад центров разрушения. Каждый диапазон долговечности имеет свои особенности.
На рис. 2 приведены данные по накоплению центров разрушения (на масштабе времени разрушения) для некоторых металлов, которое описывается уравнением вида dN/dt ∼ Nβ.
N, см
9
1.0x10
-3
σ1 >σ2
Pbσ1
Pbσ2
Cuσ1
Cuσ2
Cu
Pb
8
8.0x10
∆ =3.0e-4 м
∆ =4.0e-4 м
∆ =2.0e-4 м
∆ =4.0e-4 м
∆ =5.0e-5 м
∆ =2.3e-4 м
β
Расчет по формуле dN/dt=N
8
6.0x10
8
4.0x10
8
2.0x10
0.0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
t, c
Рис. 2. Скорость роста центров разрушения (теоретический расчет и экспериментальные данные)
Тем не менее, систематизация литературных данных и проведенные расчетно−теоретические
и экспериментальные исследования позволили сделать вывод, что явление разрушения в различных
диапазонах долговечности имеет общие свойства. В квазистатическом диапазоне долговечности диссипативные зоны и развитые пластические течения возникают в устье растущей трещины [7]. В динамическом диапазоне долговечности зоны пластического течения образуются близ возникающих
и растущих центров разрушения [1—5].
Учитывая структурно−энергетическую аналогию поведения металла при вводе тепловой и механической энергии, что в обоих случаях приводит к нарушению дальнего порядка [1—5], представим данные по долговечности ряда металлов в координатах lg t  Р/Гρ (H+L) (рис.3); где Р  давление, приводящее к разрушению, Г  параметр Грюнайзена, ρ  плотность, Н  энтальпия, L 
теплота фазового перехода.
О возможности прогнозирования поведения металлов и сплавов в экстремальных условиях
Рис. 3. Схематичное изображение кривой долговечности в универсальных координатах.
Данные по долговечности монокристалла Al, Al и сплавов Al в квазистатическом и динамическом диапазонах долговечности
Таким образом, работа по разрушению в квазистатическом и динамическом диапазонах долговечности происходит в диссипативных зонах — зонах пластического течения, где кристаллическая
решетка теряет устойчивость и дальний порядок.
А.Я. Учаев, В.Т. Пунин, Н.И. Завада
Установленная связь квазистатического и динамического диапазонов долговечности дает возможность для установления общих закономерностей поведения твердого тела в динамическом, квазидинамическом и квазистатическом диапазонах долговечности. На рис. 3 и в табл. 2 приведены
данные по временным закономерностям процесса динамического разрушения, представленные
в универсальных координатах [1—5].
Из таблицы 2 следует, что термодинамический потенциал Н и теплота фазового перехода L являются параметрами, контролирующими процесс динамического разрушения.
Представлены данные по долговечности в квазистатическом диапазоне долговечности
t ~ 106 ÷ 10—3 c сплавов Al и монокристалла Al, которые показывают существенное влияние легирующих добавок на величину растягивающих напряжений, приводящих к разрушению.
В динамическом диапазоне долговечности различие в критической плотности поглощенной
энергии, приводящее к разрушению для сплавов, монокристалла Al незначительно. Это связано
с тем, что одним из параметров, контролирующих процесс динамического разрушения, является
термодинамический потенциал энтальпия. Изменение энтальпии при малых значениях легирующих
добавок является незначительным. Это и приводит к тому, что в динамическом диапазоне долговечности сплавы с различной статической прочностью имеют близкую динамическую прочность.
Таблица 2
Динамические характеристики и инварианты процесса разрушения
№
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Металл
Eкр. , Дж/г при t = 10—8 c
Pкр. , Гпа, при t = 10—8 c
E/H+L
Pb
Cd
Sn
Fe
Cu
Ni
Ta
W
Ti
33,18
57,36
78,14
898,36
347,86
592,28
389,56
471,77
956,0
1,03
1,13
1,23
12,02
6,91
9,66
10,97
14,62
10,19
0,51
0,50
0,52
0,57
0,57
0,53
0,50
0,57
0,53
Данные, приведенные на рис. 3, определяют возможность прогнозирования поведения неисследованных металлов и сплавов в экстремальных условиях.
Показано, что при одинаковых значениях интервалов долговечности dt в квазистатическом
и динамическом диапазонах долговечности изменение энергии разрушения dE (или величины давления dP), соответствующее значениям интервалов долговечности dt, разное — dPкв << dPд. В квазистатическом диапазоне долговечности механизм разрушения является в большей степени термофлуктуационным, а в динамическом диапазоне долговечности – энергетическим.
В результате проведенных исследований установлено, что одним из параметров, контролирующим процесс динамического разрушения, является термодинамический потенциал — энтальпия. Изменение энтальпии, например, при малых значениях легирующих добавок является незначительным.
Это и приводит к тому, что в динамическом диапазоне долговечности сплавы с различной статической прочностью имеют близкую динамическую прочность, что и позволяет прогнозировать поведение неисследованных металлов и сплавов в экстремальных условиях с известными термодинамическими потенциалами. Вышеизложенное определяет физическую возможность улучшения физико−механических свойств металлов и сплавов, например, с помощью нанометрических и ультрадисперсных структур в квазистатическом диапазоне долговечности.
О возможности прогнозирования поведения металлов и сплавов в экстремальных условиях
Литература
1. Е.К. Бонюшкин, Н.И. Завада, С.А. Новиков, А.Я. Учаев. Явление коррелированного поведения
системы центров разрушения как показатель универсальности процесса динамического разрушения. Описание научного открытия.  2000. 71 с. № 5—2382, диплом № 153.
2. Кинетика динамического разрушения металлов в режиме импульсного объемного разогрева /
Е.К.Бонюшкин, Н.И Завада., С.А.Новиков, А.Я. Учаев.— Саров, РФЯЦ—ВНИИЭФ. Труды ученых ядерных центров России.  1998.  №3.— 275 с.
3. Е.К. Бонюшкин, Б.Л. Глушак, Н.И. Завада, С.А. Новиков, Л.А. Платонова, Н.И. Сельченкова,
А.Я. Учаев. Закономерности откольного разрушения металлов в режиме быстрого объемного разогрева с субмикро— и субнаносекундном диапазонах долговечности. ПМТФ, 1996.  № 6. 
С. 105—115
4. Е.К. Бонюшкин, Н.И. Завада, С.А. Новиков, Л.А. Платонова, Н.И. Сельченкова,
И.И. Сидоров, В.А. Сидорова, А.Я. Учаев. Обзор результатов исследования природы процесса
динамического разрушения. Юбилейный сборник. Высокие плотности энергии: Сборник научных трудов.  РФЯЦ—ВНИИЭФ, Саров, 1997.  С. 368—383.
5. Фракталы в прикладной физике/ Под общей редакцией А.Е. Дубинова.— ВНИИЭФ, АРЗАМАС—16, 1995. — 216 с.
6. А.С. Харитонов, Л.А. Шелепин. Информация как характеристика немарковских процессов. Краткие сообщения по физике.  ФИАН.  1996.  № 5—6.  С. 79—83.
7. Попов В.Л., Панин В.Е. Фрактальный характер и масштабная инвариантность дисклинационной
структуры деформированного твердого тела // ДАН.  1997.  Т. 352.  №1.  С. 51—53.