1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Теплофизика высоких температур
  4. T. 57, № 6, 2019

Теплофизика высоких температур, 2019, T. 57, № 6, стр. 957-960

Динамическая прочность расплава титана при предельно высоких скоростях растяжения

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 22.04.2019
После доработки 22.04.2019
Принята к публикации 16.05.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

Представлены результаты исследования разрушения жидкого титана при предельно высокой скорости деформации. Определено значение растягивающих напряжений, приводящих к нарушению сплошности расплава титана при скорости деформации ~109 с–1. Для исследования движения поверхности титановой мишени, вызванного воздействием фемтосекундных лазерных импульсов, применялась интерферометрия с использованием частотно-модулированного диагностического импульса с пикосекундным разрешением.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время одной из актуальных задач является исследование динамической прочности жидких металлов, которые могут быть использованы в качестве теплоносителей в импульсных энергетических установках. Также важным направлением исследований остается разработка лазерных технологий обработки материалов и получения наноразмерных частиц. Помимо нужд широкого практического применения, исследования прочностных свойств необходимы для развития физики метастабильных состояний, изучения особенностей поведения конденсированного вещества вблизи теоретического предела прочности в гидродинамических и молекулярно-динамических расчетах для металлов в двухтемпературном состоянии [1–3], проявляющихся при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов (ФЛИ). Жидкости, включая расплавы металлов при отрицательном давлении, находятся в метастабильном состоянии [4–6], распад которого при разрушении происходит в результате кавитационного процесса (образования, роста и слияния зародышей паровой фазы). Высокоскоростное разрушение представляет собой кинетический процесс, поэтому динамическая прочность конденсированного вещества зависит от скорости деформации.

В работах [1, 7–10] содержится достаточно обширный материал по сопротивлению деформации и разрушению металлов в твердом состоянии в широком диапазоне температур и длительностей нагрузок. В [6] представлены расчетные зависимости роста динамической прочности для ряда жидких металлов (Fe, Ti, Pb, Al, Cu, Ni) в широком диапазоне скоростей деформации. В то же время экспериментальных исследований динамической прочности жидких металлов выполнено недостаточно [11–18]. В литературе отсутствуют экспериментальные данные о прочности расплава на разрыв для ряда металлов, в том числе для титана.

В данной работе с помощью интерферометрической методики с использованием частотно-модулированного (чирпированного) диагностического импульса впервые измерена динамическая прочность жидкого титана в пикосекундном диапазоне длительности нагрузки вблизи предела теоретической прочности путем лазерного нагрева вещества импульсами фемтосекундной длительности.

ЭКСПЕРИМЕНТ

Источником ФЛИ являлась титан-сапфировая лазерная система, входящая в состав Центр коллективного пользования “Лазерный фемтосекундный комплекс”. Лазерная система генерирует фемтосекундные импульсы с энергией до 2 мДж на длине волны 800 нм. После преобразования во вторую гармонику в кристалле BBO (борат бария) s-поляризованный лазерный импульс длительностью 40 фс на длине волны излучения 400 нм фокусировался на поверхности мишени под углом 60° линзой с фокусным расстоянием 20 см. Пространственное распределение плотности энергии в фокальном пятне соответствовало гауссову с радиусом 14 мкм по уровню е–1. Для изменения плотности энергии нагревающего и зондирующего импульсов в схеме применялись аттенюаторы, состоящие из полуволновой пластины и призмы Глана. Энергия в каждом импульсе измерялась калиброванным фотодиодом.

В качестве экспериментального образца использовалась пленка титана толщиной 700 нм, нанесенная на стеклянную подложку методом магнетронного напыления.

Для диагностики 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 был собран интерферометр Майкельсона, совмещенный с дифракционным спектрометром. Применяемая методика измерений обеспечивала непрерывную регистрацию динамики процесса во временнóм интервале $\Delta t$ = 0–200 пс с временны́м разрешением $\delta t$ ≈ 2 пс. Более подробно экспериментальная схема и методика измерений описаны в работе [19].

Для восстановления пространственно-временны́х распределений изменения фазы $\Delta \varphi (x,t)$ диагностической волны, отраженной от мишени в области взаимодействия, применялся двумерный фурье-анализ интерферограмм [19–21]. Изменение фазы $\Delta \varphi \left( t \right)$ описывает смещение границы поверхности $z(t),$ величина которого определяется по соотношению $z(t)$ = $\frac{{\Delta \varphi (t)\lambda }}{{4\pi }}.$ При этом точность измерения фазы составляла $\delta \varphi $ ≈ 0.02 рад, что соответствует погрешности определения смещения поверхности на уровне $\delta z$ ≈ 1–2 нм.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 приведен профиль смещения $z(t),$ измеренный в центре области взаимодействия при плотности энергии лазерного излучения ${{{{F}_{0}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{F}_{0}}} {{{F}_{a}}}}} \right. \kern-0em} {{{F}_{a}}}}$ = 1.5, где ${{F}_{0}}$ – плотность энергии падающего излучения в центре фокального пятна, а ${{F}_{a}}$ – порог абляции титана. Также на графике приведен профиль скорости поверхности $u(t),$ полученный дифференцированием зависимости $z(t).$

Рис. 1.

Зависимость смещения (1) и скорости движения (2) поверхности абляционного слоя от времени при ${{{{F}_{0}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{F}_{0}}} {{{F}_{a}}}}} \right. \kern-0em} {{{F}_{a}}}}$ = 1.5.

На начальной стадии в интервале от 0 до 2.3 пс наблюдается резкий рост скорости движения поверхности до максимального значения ${{u}_{{\max }}}$ ≈ ≈ 0.35 км/с под действием градиента давления в нагретом слое толщиной ${{d}_{T}}.$ В интервале от 2.3 до 7.7 пс скорость движения снижается до 0.11 км/c за счет уменьшения давления и возрастающей силы сопротивления вещества растяжению. В случае превышения величиной растягивающих напряжений прочности расплава в последнем возникают кавитационное разрушение и отрыв части нагретого слоя. Далее на временах t > 50 пc слой движется примерно с постоянной скоростью ~0.05 км/с для данного значения F0 (разлет по инерции).

Величина растягивающего напряжения непосредственно перед разрушением определялась по декременту скорости $\Delta u$ между ее максимальным значением и значением перед откольным импульсом (рис. 1) по соотношению $\sigma = {{\rho {{с}_{s}}\Delta u} \mathord{\left/ {\vphantom {{\rho {{с}_{s}}\Delta u} 2}} \right. \kern-0em} 2}$ [1, 11, 12]. Здесь $\rho $ и cs– соответственно плотность и скорость звука в веществе. Полагая для жидкого титана при температуре ~103 К cs ≈ 4.4 км/с и $\rho $ ≈ 4120 кг/м3 [22, 23], а также с учетом измеренного значения $\Delta u$ = 0.24 км/с, получаем величину динамической прочности $\sigma $ = 2.2 ГПа.

Скорость деформации, согласно [1], определяется выражением $\dot {\varepsilon } = \frac{{\Delta u}}{{\Delta t}}\frac{1}{{2{{с}_{s}}}}$ и составляет $\dot {\varepsilon } \approx $ 5 × × 109 с–1. Здесь $\Delta t = t{}_{{\min }}{\kern 1pt} - {{t}_{{\max }}},$ где ${{t}_{{\max }}},$ ${{t}_{{\min }}}$ – время, соответствующее максимальному и минимальному значению скорости $u(t).$

На рис. 2 приведен характерный профиль абляционного кратера, измеренный с помощью метода интерференционной микроскопии [24]. При превышении порога абляции в ${{{{F}_{0}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{F}_{0}}} {{{F}_{a}}}}} \right. \kern-0em} {{{F}_{a}}}}$ ≈ 1.5 глубина в центре кратера достигала h ≈ 12 нм.

Рис. 2.

Профиль кратера абляции на поверхности титана после воздействия ФЛИ с ${{\tau }_{L}}$ = 40 фс и ${{{{F}_{0}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{F}_{0}}} {{{F}_{a}}}}} \right. \kern-0em} {{{F}_{a}}}}$ = 1.5.

Для грубой оценки температуры расплава $T$ вблизи порога абляции воспользуемся соотношением

$\frac{{(1 - R)F}}{{{{d}_{T}}}} = с\rho \Delta T + {{H}_{m}},$
где $\Delta {{T}_{{}}} = {{T}_{{}}} - {{T}_{0}}$ – приращение температуры (${{T}_{0}}$ = = 300 К – начальная температура).

Положим, что толщина прогретого слоя dT в 2–3 раза превышает h ≈ 12 нм, что характерно для термомеханической абляции металлов [25]. Принимая для титана значение коэффициента отражения R $ \approx $ 0.7, теплоемкости с = 989.2 Дж/(кг К) (для 2000 K), плотности $\rho $ ≈ 4120 кг/м3 и удельной теплоты плавления Hm = 15.5 кДж/моль [23, 26], можно оценить, что при плотности энергии нагревающего импульса F0 = 1.5Fa = 0.24 Дж/см2 [27] температура расплава составляет T ≈ 5–7 кК. Эта оценка примерно в 2.5–3.5 раза превышает значение температуры плавления титана в равновесных условиях ${{T}_{{{\text{melt}}}}}$ = 1941 К [26].

Результаты измерения динамической прочности и скорости деформации, а также оценка температуры вблизи порога абляции титана согласуются с расчетными данными работы [6].

Вблизи абляционного порога глубина LSpall, на которой возникает кавитация и разрушение расплава, должна соответствовать глубине образующегося кратера (рис. 2). Значение LSpall определяется по динамике разлета слоя $u(t),$ согласно [7], по выражению LSpall = csΔt/2. Полученное таким образом значение LSpall ≈ 12 нм при ${{{{F}_{0}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{F}_{0}}} {{{F}_{a}}}}} \right. \kern-0em} {{{F}_{a}}}}$ = 1.5 совпадает с измеренной глубиной кратера $h$ (рис. 2).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Интерферометрическим методом с пикосекундным разрешением исследована динамика движения абляционного слоя пленочного образца титана под действием растягивающих напряжений, создаваемых импульсами фемтосекундной длительности. Впервые определена динамическая прочность жидкого титана, равная 2.2 ГПа при скорости деформации 5 × 109 с–1. Экспериментальные результаты могут представлять интерес для совершенствования кинетических моделей разрушения расплавов, а также для задач прогнозирования кавитации в жидких металлах, актуальных для современной энергетики.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ (№ 18-38-00662).

Список литературы

  1. Канель Г.И., Фортов В.Е., Разоренов С.В. Ударные волны в физике конденсированного состояния // УФН. 2007. Т. 177. № 8. С. 809.

  2. Агранат М.Б., Анисимов С.И., Ашитков С.И., Жаховский В.В., Иногамов Н.А., Комаров П.С., Овчинников А.В., Фортов В.Е., Хохлов В.А., Шепелев В.В. Прочностные свойства расплава алюминия в условиях экстремально высоких темпов растяжения при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов // Письма в ЖЭТФ. 2010. Т. 91. № 9. С. 517.

  3. Ашитков С.И., Комаров П.С., Струлева Е.В., Агранат М.Б., Канель Г.И. Механические и оптические свойства ванадия под действием ударных нагрузок пикосекундного диапазона // Письма в ЖЭТФ. 2015. Т. 101. № 4. С. 294.

  4. Скрипов В.П. Метастабильная жидкость. М.: Наука, 1972.

  5. Kuksin Yu., Norman G.E., Pisarev V.V., Stegailov V.V., Yanilkin A.V. Theory and Molecular Dynamics Modeling of Spall Fracture in Liquids // Phys. Rev. B. 2010. V. 82. № 17. P. 174101.

  6. Mayer A.E., Mayer P.N. Continuum Model of Tensile Fracture of Metal Melts and Its Application to a Problem of High-current Electron Irradiation of Metals // J. Appl. Phys. 2015. V. 118. P. 035903.

  7. Kanel G.I. Spall Fracture: Methodological Aspects, Mechanisms and Governing Factors // Int. J. Fract. 2010. V. 163. P. 173.

  8. Ашитков С.И., Комаров П.С., Струлева Е.В., Агранат М.Б. Сопротивление деформированию титана вблизи теоретического предела прочности // ТВТ. 2018. Т. 56. № 6. С. 897.

  9. Ашитков С.И., Комаров П.С., Агранат М.Б., Канель Г.И., Фортов В.Е. Реализация предельных значений объемной и сдвиговой прочности железа при воздействии фемтосекундными лазерными импульсами // Письма в ЖЭТФ. 2013. Т. 98. С. 439.

  10. Krasyuk I.K., Pashinin P.P., Semenov A.Yu., Khishchenko K.V., Fortov V.E. Study of Extreme States of Matter at High Energy Densities and High Strain Rates with Powerful Lasers // Laser Phys. 2016. V. 26. № 9. P. 094001.

  11. Канель Г.И., Савиных А.С., Гаркушин Г.В., Разоренов С.В. Динамическая прочность расплавов олова и свинца // Письма в ЖЭТФ. 2015. Т. 102. № 8. С. 615.

  12. Ашитков С.И., Комаров П.С., Овчинников А.В., Струлева Е.В., Жаховский В.В., Иногамов Н.А., Агранат М.Б. Абляция металлов и образование наноструктур под действием фемтосекундных лазерных импульсов // Квантовая электроника. 2014. Т. 44. № 6. С. 535.

  13. Kanel G.I., Razorenov S.V., Utkin A.V., Grady D.E. The Spall Strength of Metals at Elevated Temperatures // AIP Conf. Proc. 1996. V. 370. P. 503.

  14. Zaretsky E.B., Kanel G.I. Impact Response and Dynamic Strength of Partially Melted Aluminum Alloy // J. Appl. Phys. 2012. V. 112. P. 053511.

  15. Dudarev E.F., Markov A.B., Mayer A.E., Bakach G.P., Tabachenko A.N., Kashin O.A., Pochivalova G.P., Skosyrskii A.B., Kitsanov S.A., Zhorovkov M.F., Yakovlev E.V. Spall Fracture Patterns for the Heterophase Cu–Al–Ni Alloy in Ultrafine- and Coarse-grained States Exposed to a Nanosecond Relativistic High-Current Electron Beam // Russ. Phys. J. 2013. V. 55. P. 1451.

  16. Ashitkov S.I., Inogamov N.A., Komarov P.S., Zhakhovsky V.V., Oleynik I.I., Agranat M.B., Kanel G.I., Fortov V.E. Strength of Metals in Liquid and Solid States at Extremely High Tension Produced by Femtosecond Laser Heating // AIP Conf. Proc. 2012. V. 1464. P. 120.

  17. Ashitkov S.I., Komarov P.S., Struleva E.V., Inogamov N.A., Agranat M.B., Kanel G.I., Khishchenko K.V. The Behavior of Tantalum under Ultrashort Loads Induced by Femtosecond Laser // J. Phys.: Conf. Ser. 2015. V. 653. P. 012001.

  18. Ашитков С.И., Комаров П.С., Овчинников А.В., Струлева Е.В., Агранат М.Б. Прочность жидкого олова в условиях предельно высоких скоростей деформации при фемтосекундном лазерном воздействии // Письма в ЖЭТФ. 2016. Т. 103. № 8. С. 611.

  19. Струлева Е.В., Комаров П.С., Ашитков С.И. Интерферометрическая диагностика нанодеформаций поверхности мишени в пикосекундном диапазоне при импульсном лазерном воздействии // Вестник Объединенного института высоких температур. 2018. Т. 1. № 1. С. 130.

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

  21. 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.

  22. Casas J., Keita N.M., Steinemann S.G. Sound Velocity Liquid Titanium, Vanadium and Chromium // Phys. Chem. Liq. 1984. V. 14. P. 155.

  23. Зиновьев В.Е. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах. Спр. изд. М.: Металлургия, 1989. 221 с.

  24. Струлёва Е.В., Комаров П.С., Ашитков С.И. Особенности абляции тантала при фемтосекундном лазерном воздействии // ТВТ. 2018. Т. 56. № 5. С. 672.

  25. Wu C., Zhigilei L.V. Microscopic Mechanisms of Laser Spallation and Ablation of Metal Targets from Large-Scale Molecular Dynamics Simulations // Appl. Phys. A. 2014. V. 114. P. 11.

  26. Кикоин И.К. Таблица физических величин. Спр. М.: Атомиздат, 1976. 177 с.

  27. Струлева Е.В., Комаров П.С., Ашитков С.И. Термомеханическая абляция титана при фемтосекундном лазерном воздействии // ТВТ. 2019. Т. 57. № 4. С. 529.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Теплофизика высоких температур

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал