Уравнение состояния сплава гафния и циркония при высоких давлениях и температурах в ударных волнах

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Работа посвящена теоретическому описанию термодинамических характеристик сплава гафния и циркония в области высоких давлений и температур при ударном сжатии. Предложена простая модель для термического и калорического уравнений состояния компонентов сплава. В рамках предположения о равенстве температур и давлений в компонентах проведен расчет ударной адиабаты для сплава гафний–цирконий. Результаты расчета показаны в сравнении с имеющимися данными экспериментов с ударными волнами. Полученные уравнения состояния гафния, циркония и их сплава могут быть использованы для моделирования динамики различных процессов при высоких плотностях энергии.

About the authors

Н. Н. Середкин

Объединенный институт высоких температур РАН

Author for correspondence.
Email: konst@ihed.ras.ru
Russian Federation, Москва

К. В. Хищенко

Объединенный институт высоких температур РАН; Московский физико-технический институт; Южно-Уральский государственный университет

Email: konst@ihed.ras.ru
Russian Federation, Москва; Долгопрудный; Челябинск

References

  1. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М.: Наука, 1966.
  2. McQueen R.G., Marsh S.P., Taylor J.W., Fritz J.N., Carter W.J. The Equation of State of Solids from Shock Wave Studies // High-Velocity Impact Phenomena / Ed. Kinslow R. N.Y.: Acad. Press, 1970. P. 293.
  3. Бушман А.В., Канель Г.И., Ни А.Л., Фортов В.Е. Теплофизика и динамика интенсивных импульсных воздействий. Черноголовка: ОИХФ АН СССР, 1988.
  4. Руденко В.Н. Об испарении вещества под действием излучения лазера // ТВТ. 1967. Т. 5. № 5. С. 877.
  5. Гуськов С.Ю., Красюк И.К., Семенов А.Ю., Стучебрюхов И.А., Хищенко К.В. Извлечение ударной адиабаты металлов по характеристикам затухания ударной волны в лазерном эксперименте // Письма в ЖЭТФ. 2019. Т. 109. № 8. С. 525.
  6. Борейшо А.С., Джгамадзе Г.Т., Зыбина В.В., Моисеев А.А., Савин А.В., Смирнов П.Г., Смоленцев С.С., Тимофеев В.А., Третьяк П.С. Микроуровневое моделирование теплофизических и гидродинамических процессов селективного лазерного сплавления // ТВТ. 2022. Т. 60. № 1. С. 108.
  7. Хохлов В.А., Жаховский В.В., Иногамов Н.А., Ашитков С.И., Ситников Д.С., Хищенко К.В., Петров Ю.В., Манохин С.С., Неласов И.В., Шепелев В.В., Колобов Ю.Р. Плавление титана ударной волной, вызванной мощным фемтосекундным лазерным импульсом // Письма в ЖЭТФ. 2022. Т. 115. № 9. С. 576.
  8. Ашитков С.И., Иногамов Н.А., Комаров П.С., Петров Ю.В., Ромашевский С.А., Ситников Д.С., Струлева Е.В., Хохлов В.А. Сверхбыстрый перенос энергии в металлах в сильно неравновесном состоянии, индуцируемом фемтосекундными лазерными импульсами субтераваттной интенсивности // ТВТ. 2022. Т. 60. № 2. С. 218.
  9. Семенов А.Ю., Абросимов С.А., Стучебрюхов И.А., Хищенко К.В. Изучение динамики волновых процессов сжатия и расширения в палладии при пикосекундном лазерном воздействии // ТВТ. 2023. Т. 61. № 4. С. 542.
  10. Ашитков С.И., Струлева Е.В., Комаров П.С., Евлашин С.А. Ударное сжатие молибдена при воздействии ультракороткими лазерными импульсами // ТВТ. 2023. Т. 61. № 5. С. 790.
  11. Котельников В.А. Поток тепла, связанный с переносом заряженных частиц на сферу, помещенную в плазму // ТВТ. 1986. Т. 24. № 1. С. 167.
  12. Волков Н.Б., Майер А.Е., Яловец А.П. О механизме кратерообразования на поверхности твердых тел при воздействии интенсивных пучков заряженных частиц // ЖТФ. 2002. Т. 72. № 8. С. 34.
  13. Mayer A.E., Mayer P.N. Continuum Model of Tensile Fracture of Metal Melts and Its Application to a Problem of High-Current Electron Irradiation of Metals // J. Appl. Phys. 2015. V. 118. № 3. P. 035903.
  14. Gnyusov S.F., Rotshtein V.P., Mayer A.E., Rostov V.V., Gunin A.V., Khishchenko K.V., Levashov P.R. Simulation and Experimental Investigation of the Spall Fracture of 304L Stainless Steel Irradiated by a Nanosecond Relativistic High-Current Electron Beam // Int. J. Fract. 2016. V. 199. № 1. P. 59.
  15. Фролова А.А., Хищенко К.В., Чарахчьян А.А. Быстрое зажигание пучком протонов и горение цилиндрической оболочечной DT-мишени // Физика плазмы. 2019. Т. 45. № 9. С. 804.
  16. Гуревич М.И., Казаков Е.Д., Калинин Ю.Г., Курило А.А., Тельковская О.В., Чукбар К.В. О разрушении упругих полимерных материалов под воздействием электронного пучка // ЖТФ. 2021. Т. 91. № 11. С. 1655.
  17. Лебедев С.В., Савватимский А.И. Об исчезновении электропроводности металла вследствие сильного нагревания электрическим током большой плотности // ТВТ. 1970. Т. 8. № 3. С. 524.
  18. Дихтер И.Я., Зейгарник В.А. Исследование электровзрыва цезиевой проволочки при давлениях до 500 атм // ТВТ. 1975. Т. 13. № 3. С. 483.
  19. Кривошеев С.И., Титков В.В., Шнеерсон Г.А. Двухмерная диффузия поля и магнитогидродинамическое течение при электрическом взрыве одновитковых соленоидов малого объема в мегагауссном магнитном поле // ЖТФ. 1997. Т. 67. № 4. С. 32.
  20. Barengolts S.A., Uimanov I.V., Oreshkin V.I., Khishchenko K.V., Oreshkin E.V. Effect of the Temperature of an Electrode Microprotrusion on the Microcrater Formation on the Electrode Surface upon Pulsed and Radiofrequency Vacuum Breakdowns // Vacuum. 2022. V. 204. P. 111364.
  21. Онуфриев С.В., Савватимский А.И. Электросопротивление жидкого углерода (до 9000 К) и жидкого гадолиния (до 6000 К) при повышенном давлении и высоких температурах // ТВТ. 2023. Т. 61. № 5. С. 685.
  22. Popova T.V., Mayer A.E., Khishchenko K.V. Evolution of Shock Compression Pulses in Polymethylmethacrylate and Aluminum // J. Appl. Phys. 2018. V. 123. № 23. P. 235902.
  23. Александров В.В., Браницкий А.В., Грабовский Е.В., Лаухин Я.Н., Олейник Г.М., Ткаченко С.И., Фролов И.Н., Хищенко К.В. Исследование удара дюралюминиевого флаера по вольфрамовой мишени на установке Ангара-5-1 // Физика плазмы. 2019. Т. 45. № 5. С. 406.
  24. Khishchenko K.V., Mayer A.E. High- and Low-Entropy Layers in Solids behind Shock and Ramp Compression Waves // Int. J. Mech. Sci. 2021. V. 189. P. 105971.
  25. Ростилов Т.А., Зиборов В.С. Экспериментальное исследование ударных волн в режиме стационарного распространения в полимеризованной эпоксидной смоле // ТВТ. 2022. Т. 60. № 6. С. 922.
  26. Чупров П.А., Уткин П.С., Фортова С.В., Киверин А.Д. Численное моделирование взаимодействия ударной волны со слоем пены с использованием двухжидкостного подхода // ТВТ. 2023. Т. 61. № 3. С. 443.
  27. Бушман А.В., Ломоносов И.В., Фортов В.Е. Уравнения состояния металлов при высоких плотностях энергии. Черноголовка: ИХФЧ РАН, 1992.
  28. Ломоносов И.В., Фортова С.В. Широкодиапазонные полуэмпирические уравнения состояния вещества для численного моделирования высоко-энергетических процессов // ТВТ. 2017. Т. 55. № 4. С. 596.
  29. Маевский К.К. Численное моделирование термодинамических параметров германия // ТВТ. 2022. Т. 60. № 6. С. 837.
  30. Бельхеева Р.К. О влиянии пористости и давления на параметры уравнения состояния пористых веществ // ТВТ. 2023. Т. 61. № 5. С. 693.
  31. Баканова А.А., Дудоладов И.П., Сутулов Ю.Н. Электронные переходы в гафнии, европии и иттербии при высоких давлениях // ФТТ. 1969. Т. 11. № 7. С. 1881.
  32. Пелецкий В.Э., Дружинин В.П. Экспериментальное исследование некоторых физических свойств гафния в области высоких температур // ТВТ. 1971. Т. 9. № 3. С. 539.
  33. LASL Shock Hugoniot Data / Ed. Marsh S.P. Berkeley, CA: Univ. of California Press, 1980.
  34. Савватимский А.И., Коробенко В.Н. Плотность жидкого гафния от точки плавления до точки кипения // ТВТ. 2007. Т. 45. № 2. С. 187.
  35. Онуфриев С.В., Петухов В.А., Песочин В.Р., Тарасов В.Д. Теплофизические свойства гафния в интервале температур 293–2000 К // ТВТ. 2008. Т. 46. № 2. С. 230.
  36. Онуфриев С.В. Оценка критических параметров циркония, гафния и вольфрама // ТВТ. 2011. Т. 49. № 2. С. 213.
  37. Arblaster J.W. Thermodynamic Properties of Hafnium // J. Phase Equilib. Diffus. 2014. V. 35. № 4. P. 490.
  38. Молодец А.М., Голышев А.А. Откольная прочность ударно-разогретого гафния и уравнения состояния его полиморфных модификаций // ФТТ. 2019. Т. 61. № 8. С. 1492.
  39. Huston L.Q., Velisavljevic N., Smith J.S., Gray III G.T., Sturtevant B.T. Multi-phase Equation of State of Ultrapure Hafnium to 120 GPa // J. Phys.: Condens. Matter. 2022. V. 34. P. 055401.
  40. Khishchenko K.V. Equation of State of Hafnium at High Pressures in Shock Waves // Phys. Wave Phenom. 2023. V. 31. № 2. P. 123.
  41. Шумихин А.С. Проблема уравнения состояния тугоплавких металлов в околокритической области // ТВТ. 2023. Т. 61. № 5. С. 655.
  42. Walsh J.M., Rice M.H., McQueen R.G., Yarger F.L. Shock-Wave Compressions of Twenty-Seven Metals Equations of State of Metals // Phys. Rev. 1957. V. 108. № 2. P. 196.
  43. Альтшулер Л.В., Баканова А.А., Дудоладов И.П. Влияние электронной структуры на сжимаемость металлов при высоких давлениях // ЖЭТФ. 1967. Т. 53. № 6. С. 1967.
  44. Альтшулер Л.В., Баканова А.А., Дудоладов И.П., Дынин Е.А., Трунин Р.Ф., Чекин Б.С. Ударные адиабаты металлов. Новые данные, статистический анализ и общие закономерности // ПМТФ. 1981. № 2. С. 3.
  45. Коробенко В.Н., Савватимский А.И. Температурная зависимость плотности и удельного электросопротивления жидкого циркония до 4100 К // ТВТ. 2001. Т. 39. № 4. С. 566.
  46. Подурец А.М., Дорохин В.В., Трунин Р.Ф. Рентгеноструктурное исследование фазовых ударно-волновых превращений в цирконии и висмуте // ТВТ. 2003. Т. 41. № 2. С. 254.
  47. Greeff C.W. Phase Changes and the Equation of State of Zr // Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 2005. V. 13. P. 1015.
  48. Rigg P.A., Saavedra R.A., Scharff R.J. Sound Speed Measurements in Zirconium Using the Front Surface Impact Technique // J. Phys.: Conf. Ser. 2014. V. 500. P. 032014.
  49. Saxena A.K., Kaushik T.C., Gupta S.C. Shock Loading Characteristics of Zr and Ti Metals Using Dual Beam Velocimeter // J. Appl. Phys. 2015. V. 118. P. 075904.
  50. Hu C.E., Zeng Z.Y., Cai L.C. Dynamic Stability of Zr under High Pressure and High Temperature // Acta Phys. Sin. 2015. V. 64. № 4. P. 046401.
  51. Kalita P., Brown J., Specht P., Root S., White M., Smith J.S. Dynamic X-Ray Diffraction and Nanosecond Quantification of Kinetics of Formation of β-Zirconium under Shock Compression // Phys. Rev. B. 2020. V. 102. P. 060101.
  52. Radousky H.B., Armstrong M.R., Austin R.A., Stavrou E., Brown S., Chernov A.A., Gleason A.E., Granados E., Grivickas P., Holtgrewe N., Lee H.J., Lobanov S.S., Nagler B., Nam I., Prakapenka V., Prescher C., Walter P., Goncharov A.F., Belof J.L. Melting and Refreezing of Zirconium Observed Using Ultrafast X-Ray Diffraction // Phys. Rev. Res. 2020. V. 2. P. 013192.
  53. O’Bannon III E.F., Söderlind P., Sneed D., Lipp M.J., Cynn H., Smith J.S., Park C., Jenei Zs. High Pressure Stability of β-Zr: No Evidence for Isostructural Phase Transitions // High Pressure Res. 2021. V. 41. № 3. P. 247.
  54. Liu L., Jing Q., Geng H.Y., Li Y., Zhang Y., Li J., Li S., Chen X., Gao J., Wu Q. Revisiting the High-Pressure Behaviors of Zirconium: Nonhydrostaticity Promoting the Phase Transitions and Absence of the Isostructural Phase Transition in β-Zirconium // Materials. 2023. V. 16. P. 5157.
  55. Хищенко К.В. Уравнение состояния циркония при высоких давлениях // ТВТ. 2023. Т. 61. № 5. С. 783.
  56. Алексеев Ю.Ф., Альтшулер Л.В., Крупникова В.П. Ударное сжатие двухкомпонентных парафино-вольфрамовых смесей // ПМТФ. 1971. № 4. С. 152.
  57. Баканова А.А., Дудоладов И.П., Сутулов Ю.Н. Выполнение правила аддитивности для ряда сплавов при ударном сжатии // ПМТФ. 1972. № 6. С. 167.
  58. Gust W.H., Royce E.B. New Electronic Interactions in Rare-Earth Metals at High Pressure // Phys. Rev. B. 1973. V. 8. № 8. P. 3595.
  59. Кинеловский С.А., Маевский К.К. Модель поведения алюминия и смесей на его основе при ударно-вол-новом воздействии // ТВТ. 2014. Т. 52. № 6. С. 843.
  60. Бельхеева Р.К. Уравнение состояния для сильнопористого вещества // ТВТ. 2015. Т. 53. № 3. С. 367.
  61. Маевский К.К. Численное исследование ударно-волнового нагружения металлических композитов на базе W и WC // ЖТФ. 2021. Т. 91. № 5. С. 815.
  62. Медведев А.Б. Определение плотности ядра Земли на основе уравнений состояния железа и титана при высоких давлениях и температурах // ТВТ. 2023. Т. 61. № 5. С. 854.
  63. Хищенко К.В. Уравнение состояния алюминия при высоких давлениях // ТВТ. 2023. Т. 61. № 3. С. 477.
  64. Khishchenko K.V. Equation of State for Tantalum at High Pressures in Waves of Shock Compression and Isentropic Expansion // Phys. Wave Phenom. 2023. V. 31. № 4. P. 273.
  65. Lomonosov I.V., Bushman A.V., Fortov V.E. Equations of State for Metals at High Energy Densities // High Pressure Science and Technology – 1993 / Eds. Schmidt S.C., Shaner J.W., Samara G.A., Ross M. N.Y.: AIP Press, 1994. P. 117.
  66. Хищенко К.В., Ломоносов И.В., Фортов В.Е., Шленский О.Ф. Термодинамические свойства пластиков в широком диапазоне плотностей и температур // ДАН. 1996. Т. 349. № 3. С. 322.
  67. Khishchenko K.V., Lomonosov I.V., Fortov V.E. Thermodynamic Properties and Physical–Chemical Transformations of Polymer Materials at High Temperatures and Pressures // Int. J. Thermophys. 2002. V. 23. № 1. P. 211.
  68. Khishchenko K.V., Fortov V.E., Lomonosov I.V., Pavlovskii M.N., Simakov G.V., Zhernokletov M.V. Shock Compression, Adiabatic Expansion and Multi-Phase Equation of State of Carbon // AIP Conf. Proc. 2002. V. 620. P. 759.
  69. Ломоносов И.В., Фортов В.Е., Фролова А.А., Хищенко К.В., Чарахчьян A.A., Шуршалов Л.В. Моделирование превращения графита в алмаз при динамическом сжатии в конической мишени // ТВТ. 2003. Т. 41. № 4. С. 515.
  70. Гударенко Л.Ф., Куделькин В.Г. Расчет уравнений состояния многокомпонентных смесей в гетерогенном приближении // Тр. XIV сессии Междун. школы по моделям механики сплошной среды. М.: МФТИ, 1998. С. 56.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences