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.