Фазовое превращение в тантале при экстремальной лазерной деформации

Научные отчеты, том 5, Номер статьи: 15064 (2015) Цитировать эту статью

2795 Доступов

29 цитат

Подробности о метриках

Структурная и механическая реакция металлов тесно связана с фазовыми превращениями. Например, продукт фазового превращения (мартенсит) отвечает за исключительный диапазон прочности и вязкости стали, что делает ее универсальным и важным конструкционным материалом. Несмотря на изобилие металлов и сплавов, открытие новых фазовых превращений в настоящее время не является обычным событием и часто требует сочетания экспериментов, прогнозных вычислений и удачи. Высокоэнергетические импульсные лазеры позволяют исследовать экстремальные давления и температуры, где могут быть сделаны такие открытия. Образование гексагональной (омега) фазы наблюдалось в восстановленном монокристаллическом объемно-центрированном кубическом тантале четырех кристаллографических ориентаций, подвергнутом экстремальному режиму давления, температуры и скорости деформации. Это было достигнуто с помощью импульсных лазеров высокой энергии. Омега-фаза и двойникование были идентифицированы с помощью просвечивающей электронной микроскопии при давлении 70 ГПа (определено соответствующим экспериментом VISAR). Предполагается, что существенную роль в превращении играют сдвиговые напряжения, порождаемые одноосным деформированным состоянием ударного сжатия. Моделирование молекулярной динамики показывает трансформацию небольших конкреций из объемноцентрированной кубической структуры в гексагональную плотноупакованную структуру при одном и том же напряженном состоянии (давление и сдвиг).

Фазовые переходы имеют первостепенное значение для определения и контроля свойств материалов. Тантал — модельный металл объемно-центрированной кубической формы (ОЦК); его высокая фазовая стабильность при повышении давления и температуры1 позволила исследователям исследовать пластичность без осложнений, связанных с фазовыми изменениями.

Тем не менее, продолжаются экспериментальные и теоретические споры относительно полиморфизма тантала при высоких давлениях и высоких температурах. Бураковский и др.2 провели ab initio моделирование, которое предсказало существование омега-фазы (ω) в режиме высокого давления и температуры монокристаллического Та (выше ~70 ГПа). Используя модель, основанную на теории функционала плотности, и обобщенный псевдопотенциал, Хаскинс и др.3 выявили размерный эффект для гексагональной фазы. Шан и др.4 систематически рассчитали давления фазового перехода для 76 элементарных твердых тел, включая чистый тантал, упомянув переход ГЦК-ГПУ при давлениях 67,5 и 285 ГПа, используя волновой метод, дополненный проектором, в рамках обобщенного градиентного приближения. Экспериментально Сюн и Лассила5,6,7,8 наблюдали двойники и ω-фазу в чистом Ta и сплаве Ta-W. Фазовый переход из ОЦК в гексагональный произошел в сплаве Та-10 В при давлении около 30 ГПа и в поликристаллическом Та при 45 ГПа при длительности нагрузки 1,8 мкс. Сюн и Лассила7,8 предложили механизм, показывающий, что ударное давление приводит к сдвиговому превращению тантала из ОЦК в ω-фазу. Возможное существование ω-фазы широко обсуждалось в литературе, и существует значительная степень неопределенности относительно ее образования и стабильности, связанная с примесями и зернограничными эффектами.

Целью данного сообщения является описание наблюдений фазового превращения твердое-твердое тело в монокристаллическом тантале с различной ориентацией ([001], [110], [111], [123]), ударно-сжимаемом при очень коротких длительностях (~3 нс). ) и высокой скоростью деформации (~108 с-1) в одноосном деформированном состоянии. Эти наблюдения подкреплены моделированием молекулярной динамики, что делает это убедительным аргументом в пользу фазового перехода, зародившегося в экстремальном режиме высокого давления, сдвиговой деформации и скорости деформации, генерируемых высокоэнергетическим импульсным лазерным сжатием. Экстремально напряженное состояние создавалось шестью одновременно падающими лазерными импульсами, генерирующими волну давления, проникающую в капсулу, в которой находился образец тантала (рис. 1); Подробности представлены в разделе «Методы».