Введение к работе
Диссертация посвящена разработке теоретического описания кинетики и механизмов пластической деформации металлов при высокоскоростной деформации. Построена модель явления и исследованы процесс гомогенного зарождения дислокации, явление фононного торможения, влияние точечных дефектов и препятствий на подвижность дислокаций. Использован метод молекулярной динамики (МД). Полученные результаты обобщены в виде аналитических соотношений.
Актуальность работы. Высокоскоростное нагружение встречается во многих технологически важных приложениях, включая высокоскоростную обработку и формовку материалов, создание ударостойких материалов, пробивание защитных оболочек, ударное повреждение авиационных и космических летательных аппаратов и конструкций. Механический отклик многих материалов (металлов, керамик, стёкол, полимеров) при высокоскоростном деформировании отличается от случая статических нагрузок. Так для многих металлов зависимость напряжения течения от скорости деформирования резко усиливается с превышением скорости деформирования « 103 — 104с-1 [1,2]. Явление можно интерпретировать как следствие изменения механизма движения дислокаций.
При малых скоростях движения дислокации преодолевают препятствия в результате совместного действия приложенного напряжения и тепловых флуктуации. Вследствие этого увеличение температуры сопровождается понижением предела текучести материалов. Для деформирования с высокой скоростью необходимо приложить более высокие напряжения. При скорости деформирования больше некоторой пороговой действующие напряжения оказываются достаточными для обеспечения динамического преодоления препятствий (барьеры Пайерлса), без дополнительного вклада тепловых флуктуации. При этом доминирующим механизмом торможения дислокаций становится перекачка энергии дислокации в колебания кристаллической решетки или, в зависимости от температуры, в электронную подсистему. В отличие от области термофлуктуа-ционной подвижности, скорость дислокаций в динамической области падает с температурой в соответствии с увеличением плотности элементарных возбуждений. Поэтому при высоких скоростях деформирования для некоторых материалов наблюдается (аномальное) возрастание напряжения течения с увеличением температуры [1].
Цель работы. 1) Разработка метода расчёта скорости зарождения дислокаций в бездефектном кристалле. Исследование зависимости скорости зарождения от сдвиговых напряжений и температуры.
Развитие моделей для исследования подвижности одиночной дислокаций в монокристалле. Исследование скорости движения в зависимости от сдвиговых напряжений и температуры для ОЦК и ГЦК металлов.
Определение механизмов влияния дефектов (вакансий, полостей, включений) на подвижности дислокаций. Исследование их влияния на коэффициент торможения. Определение критических напряжений, необходимых для преодоления дефектов.
Развитие многомасштабного подхода для описания скорости пластической деформации на основе результатов МД.
Научная новизна работы. Исследованы атомистические механизмы и кинетика элементарных процессов пластической деформации в условиях высокоскоростной деформации с помощью МД.
Исследован механизм гомогенного зарождения дислокаций за счет локального сдвига одной группы атомов относительно другой на вектор Бюргер-са частичной дислокации. Процесс носит стохастический характер. Показано, что зависимость скорости зарождения от сдвиговых напряжений может быть аппроксимирована в рамках формулы Журкова при введении температурной зависимости параметров.
Исследована зависимость скорости движения одиночной дислокации в ОЦК и ГЦК кристаллах от сдвиговых напряжений. Для коэффициента фононного трения В, характеризующего наклон линейного участка, получена зависимость от температуры. Показано подобие зависимостей коэффициента трения и периода решетки от температуры.
Изучены механизмы влияния дефектов решетки на подвижность дислокации в кристаллах Мо, Си и А1. В ОЦК равномерно распределённые вакансии концентрации с не оказывают существенного влияния на величину критических напряжений асг, необходимых для движения дислокации. Наличие вакансий приводит к возрастанию трения В ~ с. В случае ГЦК коэффициент трения практически не возрастает, а увеличивается барьер для движения acr ~ с.
Развит подход, позволяющий описывать макроскопическую пластическую деформацию с использованием результатов МД.
Практическая ценность работы. Результаты диссертации могут быть использованы для оценки пластических характеристик материалов при импульсных нагрузках, расчетов кинетики пластической деформации при рассмотрении задач механики (например, в рамках моделей сплошной среды).
Положения, выносимые на защиту.
Подход для определения скорости J зарождения дислокаций и зависимость J от сдвиговых напряжений и температуры.
Зависимость скорости движения дислокаций от сдвиговых напряжений в динамическом режиме для ОЦК и ГЦК кристаллов на примере Mo, AI и Си. Температурные зависимости коэффициента фононного трения.
Характер влияния вакансий на подвижность дислокаций.
Механизмы преодоления полостей и включений при движении дислокации в Mo, АІ. Зависимость сдвиговых напряжений, необходимых для преодоления препятствий, от расстояния между ними и их размера.
Подход, позволяющий рассчитывать кинетику пластической деформации монокристаллов с использованием данных МД расчетов.
Результаты диссертации докладывались на конференциях: МФТИ 2002-08; Уравнения состояния вещества (п. Эльбрус 2005-10); Advanced Problems of Mechanics (Санкт-Петербург 2007-09); Многоуровневые подходы в физической мезо-механике (Томск 2008); Аэрофизика и физическая механика классических и квантовых систем (Москва 2007); Проблемы физики ультракоротких процессов в сильнонеравновесных средах (Новый Афон 2005-09); Физика прочности и пластичности материалов (Самара 2009); 10-ые Забабахинские научные чтения (Снежинск, 2010); Параллельные вычислительные технологии (Уфа 2010); Nucleation theory and applications (Дубна 2009-10); Computational physics (Brussels 2007, Ouro Preto 2008); Shock Compression of Condensed Matter (Hilo 2007); Multiscale Materials Modeling (Tallahassee 2008); Joint U.S.-Russia Conference on Advances in Materials Science (Prague 2009); IUTAM Symposium on Dynamic Fracture and Fragmentation (Austin 2009); New Models and Hydrocodes for Shock Wave Processes (Paris 2010).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работах в реферируемых журналах, 15 работ в сборниках и тезисы конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения, на 102 страницах, включает 35 рисунков, библиографию из 108 наименований.
