15.03.01. Деформация кристалла при прохождении ударной волны
Исследования отклика твердых тел на сильные ударные нагрузки насчитывают
уже более сотни лет. Однако до сих пор не все понято в этой области.
В недавней работе американских физиков [A.Loveridge-Smith et
al, Phys.Rev.Lett. 86, 2349 (2001)] приведены результаты измерения
деформации кристаллической решетки кремния и меди при прохождении
через них ударной волны. Авторы отмечают принципиально различный
характер отклика этих двух материалов на ударную нагрузку и предлагают
свое объяснение этого явления.
Использование ударной волны для исследования отклика твердого
тела на сильные нагрузки -- идея, в общем-то, не новая. Стандартная
методика, позволяющая определять деформацию кристаллической решетки
в момент прохождения ударной волны, заключается в следующем. Измеряя
угол дифракции рентгеновских лучей на кристалле, можно получить
все параметры кристаллической решетки. Ударная волна, проходя через
кристалл, будет изменять эти параметры, что приведет к колебанию
брэгговского угла. Отслеживая эти колебания, можно изучать устройство
кристаллической решетки в момент сильных нагрузок. Подробнее об
этом читайте на http://www.nsu.ru/materials/ssl/text/news/Physics/069.html.
Как показали ранние исследования, при типичных нагрузках, создаваемых
ударной волной (10-100 МПа), кристаллы из режима упругой деформации
переходят в режим пластической, начинают "течь". Из-за небольшого
времени воздействия ударной волны (порядка наносекунды) текучесть
материала не успевает нарушить кристаллическую упорядоченность решетки.
Однако она приводит к другому наблюдаемому явлению: к изотропному
всестороннему сжатию решетки, то есть к сжатию как в направлении
распространения волны, так и в перпендикулярной ей плоскости. В
самом деле, если материал приобрел свойства жидкости, то вступает
в силу закон Паскаля, утверждающий, что давление в жидкости одинаково
во всех направлениях. И действительно, в экспериментах по рентгеновской
дифракции обычно наблюдалось одинаковое сжатие кристаллической решетки
во всех направлениях.
На фоне этих общепризнанных результатов поведение кристалла кремния,
описанное в работе [A.Loveridge-Smith et al, Phys.Rev.Lett.
86, 2349 (2001)], кажется аномальным. Ученые обнаружили, что
при прохождении ударной волны кристаллическая решетка кремния в
направлении распространения волны сжимается на 11% (что очень немало),
в то время как никаких изменений в поперечной плоскости замечено
не было. Это означает, что несмотря на столь высокие давления, превышающие
статический предел текучести, несмотря на такую сильную деформацию
в продольном направлении, кремний все же не переходит в пластическую
фазу. Другими словами, отклик материала остается полностью упругим.
Объяснение такому поведению кремния авторы работы видят в следующем.
Само по себе существование пластической фазы материала -- это результат
наличия дислокаций. При повышении нагрузки дислокации начинают двигаться,
взаимодействовать, порождать новые дислокации и т.д. Макроскопически,
движение дислокаций и есть пластичность материала. Однако для перехода
в режим пластичности требуется некоторое время, зависящее как от
начальной концентрации дислокаций, так и от их подвижности. Особенность
ковалентных кристаллов (и кремния в том числе) -- крайне малая подвижность
диклокаций. Поэтому неудивительно, что за типичное время прохождения
ударной волны переход в режим пластической деформации попросту не
успевает произойти. Грубые оценки показывают, что в кремнии этот
переход осуществляется за время порядка миллисекунд, что значительно
больше времени влияния ударной волны. Именно поэтому наблюдаемый
в эксперименте отклик кремния и казался чисто упругим.
Подвижность же дислокаций в ионных кристаллах (например, в металлах)
на несколько порядков больше, и потому в них режим пластической
деформации может успеть начаться за те несколько наносекунд, за
которые импульс сжатия проходит через данную точку кристалла. К
примеру, в случае кристалла меди оцененное время перехода в режим
пластичности составляло 10-100 пикосекунд, что достаточно мало.
И действительно, как показали дополнительные эксперименты, медь
под действием той же ударной нагрузки успевает перейти в гидродинамический
режим. Рентгеновская дифракция показала, что в меди все параметры
решетки уменьшались одинаково.
|