Способ определения фазовых превращений в твердом теле
Владельцы патента RU 2317537:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" (RU)
Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Федеральное агентство по атомной энергии - Агентство (RU)
Изобретение относится к исследованию термодинамических свойств. Сущность способа состоит в воздействии на исследуемый образец импульсами энергии различной интенсивности и фиксировании факта плавления в образце рентгенографическим методом. Определение фазовых превращений осуществляют непосредственно в процессе исследования при контролируемых параметрах нагружения и отклика образца, последовательно фиксируя изменение структуры образца на фронте ударной волны в начале и окончании фрагментации, в начале и окончании кавитации в микронеоднородностях в отраженной от края и образца волне разрежения, при образовании пенной структуры, по которой судят о начале расплава, и при последующем образовании газокапельной структуры.
Изобретение относится к исследованию термодинамических свойств твердых материалов при воздействии на них энергетического импульса (длительностью порядка нескольких микросекунд) с фиксацией фазового состояния исследуемого вещества непосредственно в процессе воздействия.
Существующие методы определения фазового превращения I рода в материалах при импульсном нагружении носят опосредованный характер, т.е. о факте (возможности) плавления судят по изменению характера соотношения массовой и волновой скоростей, удельного объема, электросопротивления, вязкости, излома на ударной адиабате и т.д., что в большинстве случаев приводит к неопределенности в величинах интервалов температур солидуса - ликвидуса. Так, например, для широко исследованного свинца этот интервал составляет 20-124 ГПа. [Ж. ФТТ, т.12, 1970 г, с.637-638].
Наиболее близким техническим решением является способ определения фазовых превращений в твердых материалах при воздействии на них ударно-волнового импульса, заключающийся в том, что на исследуемый образец воздействуют импульсами энергии различной интенсивности и с целью повышения точности установления факта плавления вещества исследуемый образец приводят в контакт с дополнительным образцом, выполненным из вещества, менее тугоплавкого по сравнению с исследуемым (являющегося индикатором плавления) и способного образовать с ним сплав, и определяют параметры кристаллической решетки образовавшегося сплава, сохранившегося образца после обжатия [а.с. 951131, М. Кл.3 G01N 25/04. Опубликовано в БИ №30, 1980 г]. Данный способ определяет фазовый переход в сохранившихся образцах после импульсного воздействия, т.е. является опосредованным и не может определить фазовое превращение в процессе воздействия.
Решаемая техническая задача состоит в повышении информативности и точности определения моментов процесса, при которых происходят фазовые превращения в твердом теле.
Указанная задача решается способом, заключающимся в воздействии на исследуемый образец импульсами энергии различной интенсивности и фиксировании факта плавления в образце рентгенографическим методом, в котором новым является то, что непосредственно в процессе исследования при контролируемых параметрах нагружения и отклика образца последовательно фиксируют методом проникающего излучения изменение структуры образца на фронте ударной волны (УВ) в начале и окончании фрагментации, в начале и окончании кавитации в микронеоднородностях в отраженной от края образца волне разрежения, при образовании пенной структуры, по которой судят о начале расплава, и при последующем образовании газокапельной структуры.
Возможность воздействовать на образец импульсом энергии с контролируемыми параметрами достигается за счет организации между исследуемой оболочкой и источником энергетического импульса цилиндрической (конической) формы проставок из малоплотного демпфера на некоторых участках разной толщиной (по всей длине конического источника энергетического импульса с плавно меняющейся толщиной демпфера), которые обеспечивают снижение интенсивности ударной волны в оболочке в соответствии с толщиной проставки. Т.е. исследуемый образец подвергают воздействию УВ переменной вдоль оси распространения интенсивности нагружающего импульса и по параметрам отклика (внутренней структуры образца), определяемым с помощью импульсного рентгенографического или иного проникающего излучения (например, протонного пучка), путем последовательной фиксации изменения структуры образца судят о наличии фазового превращения непосредственно в моменты его реализации (в серии опытов или в одном опыте), при этом начало расплава материала образца соответствует образованию пенной (ячеистой) структуры, дальнейшим развитием которой является образование газокапельной структуры.
Повышение точности определения параметров, при которых происходит фазовое превращение в твердых телах с реализацией процесса кавитации, достигается за счет контролируемого плавного варьирования прилагаемой к образцу нагрузки.
Заявляемый способ реализуется следующим образом.
На исследуемый образец воздействуют вдоль оси симметрии устройства импульсной нагрузкой переменной интенсивности и с помощью рентгенографического метода и иным методом, использующим проникающее излучение (типа протонного пучка), в одном опыте при контролируемых параметрах нагружения на носителе информации (рентгеновская пленка, детектор) фиксируют все фазы изменения структуры образца.
При достижении прилагаемой нагрузки определенной интенсивности происходит потеря прочностных свойств материала образца, образование законченных (полных) разрывов и разрушение на фрагменты. Длительность процесса фрагментации сопоставима в этом случае с временем импульсного нагружения. При достижении некоторой величины прилагаемой нагрузки происходит плавление исследуемого материала образца.
При этом отражение ударной волны от свободной границы образца приводит к формированию волны разгрузки, за фронтом последней наблюдается интенсивное развитие кавитации на ядрах, роль которых играют микронеоднородности (микропоры), всегда содержащиеся в материалах.
Неограниченное развитие кавитационного процесса приводит к образованию пенной структуры в расплаве материала образца. В процессе инерционного расширения пенная структура разрушается на фрагменты с образованием в конечном счете газокапельной (аэрозольной) структуры.
Характерные времена процесса в отличие от длительности процесса разрушения материала образца в твердом фазовом состоянии составляют: образование пенной структуры - сотни микросекунд, развал кавитирующего объема на фрагменты с образованием газокапельного (аэрозольного) облака - миллисекунды.
Основное преимущество описанного способа заключается в возможности неопосредованного (прямого) определения факта фазового превращения материала в моменты после начала воздействия на него нагрузки с известными параметрами, что позволяет исключить влияние неконтролируемых постопытных факторов. Работоспособность предлагаемого способа для ударноволновой нагрузки была апробирована на свинце. Интервал давлений, при котором обнаружено начало плавления свинца при разгрузке после ударноволнового нагружения, составил (26±2) ГПа.
Способ определения фазовых превращений в твердом теле, заключающийся в воздействии на исследуемый образец импульсами энергии различной интенсивности и фиксировании факта плавления в образце рентгенографическим методом, отличающийся тем, что определение фазовых превращений осуществляют непосредственно в процессе исследования при контролируемых, за счет помещения между образцом и источником импульсов демпферной проставки с изменяющейся толщиной, параметрах нагружения и отклика образца, последовательно фиксируя изменение структуры образца на фронте ударной волны в начале и окончании фрагментации, в начале и окончании кавитации в микронеоднородностях в отраженной от края образца волне разрежения, при образовании пенной структуры, по которой судят о начале расплава, и при последующем образовании газокапельной структуры.
