Экспериментальное исследование откольного разрушения ионных кристаллов, облучаемых сильноточным электронным пучком Савенко, Олег Михайлович

Введение к работе

Актуальность темы. Знание прочностных характеристик различных конструкционных материалов является необходимым условием для успешного решения множества инженерных задач. Понимание про- , цессов, происходящих в твердых телах под действием различных по величине и длительности механических напряжений, позволяет прогно-. зировать поведение конструкционных материалов в тех или иных условиях эксплуатации. Появление мощных источников ионизирующего излучения: импульсных лазеров и сильноточных ускорителей заряженных частиц, стимулировало развитие физики мощных радиационных воздействий. Уже в первых работах, посвященных изучению поведения _: конденсированных сред при лазерном и электронном импульсном воздействии, было обнаружено хрупкое разрушение твердых тел. Причина такого разрушения связана с возникновением значительных механиче-., ских напряжений в облученных материалах. Возникающие давления имеют импульсный характер и распространяются по веществу в виде волн деформаций. Максимальные значения напряжений в таких волнах могут достигать десятков тысяч килобар при длительности импульса от 10~⁴ с до 10~⁹ с. Для описания процесса разрушения, вызванного воздействием механических напряжений длительностью больше 10~⁶ с, широко используется термофлуктуационная (кинетическая) концепция разрушения твердых тел. Многочисленные экспериментальные исследования показали, что при меньшей длительности воздействующих имт пульсов, зависимость разрушения твердых тел от времени воздействия разрушающих напряжений изменяется. По современным представлениям разрушение рассматривается как сложный многостадийный процесс. Поведение различных материалов на первых, предразрушающих стадиях недостаточно изучены, а исследования, посвященные возникновению и эволюции структурных дефектов в поле растягивающих напряжений, малочисленны. Мало изучена и кинетика образования и роста поверхности возникшей трещины при высокоскоростном нагру-жении. Вопрос о том, какие физические характеристики твердого тела определяют процесс образования динамических разрывов и прочность материала, нагружаемого короткими импульсами механических напряжений, остается до сих пор открытым. Существующие теоретические модели, рассматривающие кинетику зарождения и роста субмикропо-вреждений, из-за сложности задачи используют сильные приближения, а выбор основного уравнения материала проводится, как правило, для

конкретных условий нагружения. Таким образом, исследование поведения твердых тел под действием ультракоротких импульсов напряжений является задачей весьма актуальной, что определяет необходимость проведение дальнейших экспериментальных исследований в этой области.

Диссертационная работа выполнена в Омском государственном университете согласно координационному плану АН CGCP на 1986-1990 г. по направлению Радиационная физика твердого тела по теме "Радиащюнно-акустическпе методы исследования физико-механических свойств конденсированных сред" ( г.р. 0186. 0053025 ).

Цель работы. Комплексное экспериментальное исследование закономерностей откольного разрушения ионных кристаллов в поле упругих напряжений длительностью менее 10~⁷ с, возбуждаемых сильноточным электронным пучком.

Объект и методы исследования. Работа выполнена на модельных в радиационной физике щелочно-галоидных кристаллах: NaCl, КС1, КВг.

Образцы облучались электронным пучком сильноточного ускорителя ГИН-600. Параметры электронного пучка регулируются в пределах: 2 - 25 не ; 0.3 - 0.5 Мэв ; 1 - 2000 А/см² ,

Методы исследования включают измерения амплитудно-временных параметров импульсов напряжений, возникающих в понных кристаллах при электронном облучении, динамическое фотометрирование, оптическую и электронную микроскопию поверхности разрушения.

Научная новизна:

1. Установлено, что разрушение ионных кристаллов имеет ярко выраженный пороговый характер и соответствует критерию предельных напряжений. Прочность материала остается неизменной вплоть до температур 650 К.

2. Показано, что на первой предразрушающей стадии отсутствует явная зависимость концентрации и распределения дислокаций от величины приложенных напряжений и числа нагружений.

3. Обнаружено образование новых структур разрушения, состоящих из пор-пустот. Методами спектрального анализа определен тип примеси, ответственный за процесс порообразованпя.

4. Впервые экспериментально исследована кинетика откольного разрушения ионных кристаллов. Показано, что время развития от-

кола коррелирует со временем существования растягивающих напряжений разрушающей величины, а максимальная скорость роста трещин не превосходит релеевского барьера.

5. Установлено, что одним из механизмов образования пор является захлопывание хрупких трещин под действием вторичного нестационарного волнового поля.

Практическая ценность. Полученные в работе экспериментальные результаты и методические разработки могут быть использованы при проведении измерений и прогнозировании поведения различных материалов в условиях интенсивного импульсного нагружения на первой предразрушающей стадии.

Качественная модель образования поверхности множественного откола может быть использована при изучении и эксплуатации различных кристаллических материалов в условиях импульсного нагружения.

Результаты исследований структур разрушения ионных кристаллов, содержащих примесь определенного типа, могут быть использованы при развитии теоретических представлений о поведении твердых тел под нагрузкой.

Личный вклад автора состоит в постановке задачи, разработке методик, проведении экпериментальных исследований и анализе полученных результатов.

Защищаемые положения:

5. На предразрушающей стадии концентрация и распределение дислокаций не зависит от величины приложенных напряжений субми-кросекундной длительности, эффекты накопления отсутствуют, а образование и движение дислокаций начинается при тех же напряжениях, что и возникновение структур разрушения.

6. Откольное разрушение имеет пороговый характер, соответствует критерию предельных напряжений вплоть до высоких температур.

7. Интенсивное порообразование в ионных кристаллах при динамическом нагружении связано с наличием примеси двухвалентных металлов Mg, Pb и групп ОН

8. Используемая в работе конструкция пьезоэлектрического датчика давления-детектора продольных акустических колебаний и схема нагружения, обеспечивающая однократность воздействия акустических импульсов на исследуемые материалы, повышают точность проводимых измерений.

I <

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на IV Всесоюзном симпозиуме по импульсным давлениям (Москва, 1983); на VI Всесоюзной конференции по физике диэлектриков (Томск, 1988); на II Всесоюзной конференции "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц (Свердловск,1991); 8-ой конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов (Томск,1993).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Изложена на 139 страницах машинописного текста, иллюстрирована 40 рисунками. Список цитируемой литературы содержит 206 наименований.