Введение к работе
Диссертация посвящена разработке теоретического описания кинетики и механизмов разрушения конденсированных сред в области отрицательных давлений. На основе расчетов методом молекулярной динамики (МД) исследованы метастабильные состояния, достижимые при высокоскоростном растяжении, скорости их распада. Изучены стохастические свойства МД, существенные для расчета кинетических характеристик релаксационных процессов.
Актуальность работы. Процессы разрушения материалов под действием импульсных нагрузок имеют большое значение при создании ударостойких материалов и покрытий, их эксплуатации, развитии технологий обработки материалов с применением импульсных лазеров, пучков частиц, взрыва и др. Современные экспериментальные методы (воздействие лазерных пучков большой интенсивности на вещество, ударно-волновые эксперименты, субмик-росекундные электровзрывы проволочек [1-3]) дают возможность реализовать очень мощный энерговклад в вещество за короткое время. В результате достигаются метастабильные состояния конденсированных веществ. Такое развитие техники ставит задачи исследования вида фазовой диаграммы в областях сильно метастабильных состояний, кинетики их распада.
Экспериментальные методы диагностики [1] постоянно совершенствуются, но на сегодняшний день прямые данные о механизмах и скорости разрушения в субмикросекундном диапазоне немногочисленны. Поэтому широко используются различные теоретические подходы и методы моделирования [4—9], в том числе метод МД, заключающийся в численном интегрировании уравнений движения для системы атомных частиц. Применительно к проблемам разрушения конденсированных сред метод МД предоставляет возможность изучить механизмы и скорости элементарных актов разрушения при высокоскоростном растяжении в различных областях фазовой диаграммы. Важным является вопрос о вкладе дефектов кристаллической решетки в кинетику разрушения, величину прочности на разрыв при различных скоростях деформирования и температурах. Интерес представляет оценка влияния плавления на сопротивление разрушению и прочность.
Применение метода МД к исследованию релаксационных процессов существенно менее развито в сравнении с методиками расчета свойств равновесных состояний. В частности, недостаточно изученным вопросом теории метода МД является соотношение динамических и стохастических свойств. Это ставит задачу исследования предсказательных возможностей МД для расчета кинетических характеристик релаксационных процессов.
Цель работы. 1) Разработка метода расчета кинетических характеристик элементарных актов разрушения из данных МД моделирования и расчета на их основе кинетики разрушения. Исследование применимости метода МД для расчета кинетических характеристик, в частности, анализ влияния стохастических сил на скорость забывания начальных условий в динамической системе и частоту зарождения новой фазы.
Изучение фазовой диаграммы в области метастабильных кристаллической и жидкой фаз при отрицательных давлениях. Исследование возможности перегрева твердого тела в волнах разрежения в ударно-волновых экспериментах.
Определение механизмов разрушения кристаллов при высокоскоростном растяжении в различных областях фазовой диаграммы. Изучение влияния дефектов решетки и плавления на кинетику разрушения и откольную прочность.
Создание кинетической модели разрушения монокристаллических металлов в условиях высокоскоростного деформирования; расчет частоты нуклеации полостей, скорости роста полостей. Сравнение полученных данных с имеющимися теоретическими подходами для описания кинетики фазовых переходов и разрушения.
Научная новизна работы. Проанализировано расположение границ устойчивости кристаллической и жидкой фаз относительно кривой равновесного плавления для системы с потенциалом Леннарда-Джонса (LJ) и алюминия А1. Изучено влияние характера распада достижимых метастабильных состояний на динамическую прочность кристаллов.
Описан новый механизм роста полостей в перегретых монокристаллах при высокоскоростном деформировании: расплавление вещества около пор, стыков дефектов упаковки, вязкостный рост в образовавшемся расплаве. Данный механизм вместе с ростом за счет испускания дислокационных петель может обеспечивать большие скорости роста, имеющие место в откольных явлениях. Определены критические напряжения и скорости роста полостей в зависимости от их размера и температуры.
Предложен подход, позволяющий создать кинетическую модель разрушения на основе результатов расчетов методом МД частоты зарождения и скорости роста полостей. Построена модель разрушения монокристаллического алюминия и предложен вариант включения модели в расчеты в рамках механики сплошной среды.
Изучено влияние дефектов кристалла и плавления: 1) динамическую прочность монокристаллического А1 можно объяснить в рамках гомогенной нуклеации лишь при высоких температурах (Т ~ 0.7 Тт), при более низких Т требуется учет дефектов решетки; 2) наличие дислокационной подсистемы приводит к ослаблению зависимости скорости зарождения полостей от степени растяжения системы, и, соответственно, к сильной зависимости откольной прочности от скорости растяжения; 3) показана возможность перегрева монокристалла при наличии в нем дефектов (дислокационных петель, дефектов упаковки, пор); 4) для поликристалла наблюдается эффект предплавления, заключающийся в том, что при приближении к линии плавления межзеренные границы аморфизуются, а их свойства приближаются к жидкостным; 5) прочности на разрыв однородных кристалла и жидкости в А1 сопоставимы, скорость же роста полостей при тех же внешних условиях в жидкости больше, поэтому локальное плавление не всегда приводит к резкому падению прочности, но значительно активирует рост полостей и таким образом влияет на кинетику разрушения. Этим можно объяснить падение откольной прочности поликристаллических металлов с приближением к температуре плавления.
Выполнено исследование характера влияния случайных сил на скорость забывания начальных условий в динамической системе и кинетические характеристики фазовых превращений (частоту зарождения новой фазы и скорость фронта плавления).
Практическая ценность работы. Результаты диссертации могут быть использованы для оценки прочностных характеристик материалов при импульсных нагрузках, расчетов кинетики разрушения в области отрицательных давлений при рассмотрении практически важных задач механики (например, в рамках моделей сплошной среды). Данные о виде фазовой диаграммы, положении границ устойчивости метастабильных состояний могут быть использованы при построении уравнений состояния вещества.
Положения, выносимые на защиту.
Механизмы зарождения и роста полостей в гцк кристаллах, их взаимосвязь с особенностями расположения зоны плавления и границ устойчивости кристалла и жидкости.
Частота зарождения и скорость роста полостей, их зависимость от температуры и давления на примере растянутого монокристаллического А1.
Подход, позволяющий создать кинетическую модель разрушения на основе данных МД расчетов частоты гомогенной нуклеации и скорости роста полостей.
Выводы о возможности перегрева при высокоскоростном растяжении и влиянии плавления на разрушение поликристалла и монокристалла с дефектами.
Характер влияния случайных сил на кинетические характеристики фазовых превращений: частоту гомогенной нуклеации, скорость фронта плавления.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на конференциях: "Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук" (2002-2008, МФТИ); "Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество" и "Уравнения состояния вещества" (п. Эльбрус, 2003-2009); "Nucleation Theory and Applications" (ОИЯИ, Дубна, 2005-2009); Joint U.S.-Russia Conference on Advances in Materials Science (Prague, 2009); "IUTAM Symposium on Dynamic Fracture and Fragmentation" (Austin, USA, 2009); International Conference on Multiscale Materials Modeling (MMM-2008, Tallahassee, USA, 2008); American Physical Society topical conference on Shock Compression of Condensed Matter (SCCM-2007, Hilo, USA, 2007); Sandia National Laboratories - Russian Academy of Sciences Program Review Meeting (Livermore, USA, 2006); "Advanced Problems of Mechanics" (Санкт-Петербург, 2007-2009); "Многоуровневые подходы в физической мезомеханике. Фундаментальные основы и инженерные приложения" (Томск, 2008); "Метастабильные состояния и флуктуационные явления" (Екатеринбург, 2005, 2007); International Workshop on Subsecond Thermopysics (Orlean, France, 2004); "Аэрофизика и физическая механика классических и квантовых систем" (ИПМех РАН, Москва, 2007); "Проблемы физики ультракоротких процессов в сильнонеравновесных средах" (Новый Афон, 2003, 2004, 2008).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ в реферируемых журналах, 15 работ в сборниках (список в конце автореферата) и тезисы российских и международных конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения, на 102 страницах, включает 37 рисунков, библиографию из 116 наименований.
Похожие диссертации на Атомистические механизмы и кинетика разрушения конденсированного состояния при высокоскоростном деформировании
