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.

перейти к началу страницы