Введение к работе
Актуальность темы работы. Взаимодействие структурных дефектов и полей различной природы относится к фундаментальным проблемам современной физики. Темой данной работы является исследование взаимодействия ультразвукового поля и дефектов кристаллической структуры, установление связи между микропроцессами и макроскопическими свойствами кристаллов в ультразвуковом поле.
Поскольку под действием ультразвука материал может как упрочняться, так и разупрочняться, важно проследить за физическими эффектами, приводящими к таким изменениям Современное состояние теории не позволяет однозначно предсказать, что именно произойдет в процессе воздействия ультразвука упрочнение или разупрочнение кристалла Поэтому вьшснение причин и механизмов, вызывающих изменения пластических свойств кристаллов под влиянием высокочастотной вибрации ультразвукового диапазона частот, остается фундаментальной задачей физики конденсированных сред и в тоже время имеет большое прикладное значение
Наиболее эффективным способом исследования взаимодействия полей и дефектов кристаллической структуры является метод компьютерного моделирования. Действительно, при исследовании дислокационных процессов, происходящих за времена порядка ~10'5с в объеме образца, другие методы практически не приемлемы Избирательное травление позволяет установить только начальное и конечное состояния системы дислокаций Просвечивающей электронной микроскопии доступны лишь образцы в виде тонких пленок Процессы в тонких пленках и массивных кристаллах могут существенно отличаться, поэтому закономерности, установленные для пленок, нельзя использовать для массивных кристаллов Кроме того, в реальных условиях воздействие бывает комплексным, и выделить влияние отдельных факторов не представляется возможным Моделирование позволяет выяснить роль отдельных факторов, приводящих к изменению макроскопических свойств материалов, и микромеханизмы, обуславливающие эти изменения Поэтому разработка моделей, алгоритмов и программ для осуществления моделирования дислокационных процессов также является актуальной задачей для современной физики твердого тела и важна для прикладных задач.
Целью настоящей работы явилось-
детальное исследование процессов, происходящих при воздействии высокочастотных колебаний ультразвукового диапазона на дислокационные структуры и пластичность материалов;
определение режимов нагружения, позволяющих добиться необходимого изменения пластических свойств образца, будь то упрочнение или разупрочнение
Объекты исследования щелочно-галоидные кристаллы со структурой
хлорида натрия
Для достижения этих целей предстояло решить следующие задачи.
1. Разработать физическую модель и методику моделирования механизмов и процессов, обуславливающих акустопластический эффект, используя строгий динамический подход, основывающийся на решении уравнения движения с учетом поля сил взаимодействия дислокаций и самодействия, а также гибкости скользящих дислокаций и влияния полей, обусловленных внешним нагружением
2 Промоделировать процессы движения и размножения дислокаций в условиях сложнонагруженного состояния кристалла, когда на дислокации леса действует знакопеременная нагрузка, а в плоскости скользящей дислокации действуют или постоянная сила, или сумма постоянной и знакопеременной составляющих поля
3. На основании анализа полученных результатов моделирования выявить зависимости критического напряжения, необходимого для начала пластической деформации, от плотности лесных дислокаций и от параметров ультразвука, то есть установить связь между дислокационными процессами и акустопластический эффектом
Методы исследования, реализованные для достижения цели работы, основаны на развитии существующих и создании новых, адекватных рассматриваемым физическим явлениям и процессам, математических моделей, связанных с исследованием дислокационных процессов в условиях высокочастотной вибрации
Для анализа напряжения, необходимого для преодоления пробной дислокацией модельной площадки, были разработаны квазистатическая и динамическая модели, с целью исследования особенностей перераспределения дислокаций леса в ультразвуковом поле использована динамическая модель
Достоверность лолученных результатов обеспечена детальным рассмотрением физических явлений и процессов, связанных с воздействием ультразвука на кристаллы с дефектами, что позволило создать оригинальные математические модели, реализующие новые подходы к количественному и качественному описанию дислокационных процессов, в присутствии ультразвукового поля и в значительной степени тем, что результаты моделирования совпадают с результатами натурных экспериментов, выполненных другими авторами
Научная новизна данной диссертационной работы заключается в том, что впервые предпринята попытка методом компьютерного моделирования исследовать зарождение и движение дислокаций в ультразвуковом поле в условиях, приближенных к реальной ситуации Впервые предложена математическая модель, описывающая работу источника Франка-Рида, концы которого закреплены лесными дислокациями, совершающими гармонические колебания, и установлены закономерности поведения источника в этой ситуа-
Впервые найдены условия, при которых, при наличии знакопеременной нагрузки, возможно накопление дислокаций в плоскости источника
Предложена модель, позволяющая описывать прохождение пробной дислокацией модельной площадки, в которой движение дислокации описывается в приближении динамической теории
Практическая ценность работы состоит в том, что полученные в ней результаты позволяют предвидеть изменение пластических свойств материалов, подвергающихся высокочастотной вибрации в процессе их эксплуатации, что важно для оценки срока службы и предвидения возможности деградации материалов Кроме того, в современных технологиях обработки материалов все более широкое применение находит ультразвук, причем как в процессе обработки, так и для придания материалам наперед заданных свойств, например, чтобы достичь высокой пластичности материала непосредственно во время технологического воздействия Основание для проведения работ.
План совместных НИР кафедры «Молекулярная физика» физического факультета МГУ имени М.В Ломоносова, кафедры «Компьютерные системы и сети» и кафедры «Системы автоматизированного проектирования» Калужского филиала МГТУ имени Н Э Баумана
Научные положения и научные результаты, выносимые на защиту
1. Установленные впервые закономерности генерации дислокаций в условиях сложнонагруженного состояния, когда точки закрепления источника дислокациями леса совершают вынужденные колебания
Обнаруженное влияние соотношения фаз колебаний закрепляющих дислокаций и источника Франка-Рида, в условиях наложения ультразвукового поля, и снижение эффекта упрочнения в случае колеблющегося дислокационного леса по сравнению с неподвижным лесом дислокаций
Эффект пластифицирования материала при воздействии на лес дислокаций ультразвукового поля и усиление этого эффекта с увеличением плотности дислокаций леса
Явление самоорганизации системы дислокаций леса в ультразвуковом поле, где самоорганизация включает в себя образование динамических дислокационных структур с диполями, мультиполями и стенками дислокаций в качестве компонентов самоорганизованной структуры, причем конечным результатом самоорганизации может стать формирование блочной структуры.
Обнаружение устойчивости границ блоков, образовавшихся под действием ультразвука, т е сохранения этих границ после выключения ультразвукового поля. При этом структура границ ультразвукового проис-
хождения отличается от структуры границ термического происхождения (образовавшихся в процессе отжига)
Разработанные модель, алгоритм и пакет программ для анализа поведения элементов дислокационной структуры в ультразвуковом поле
Результаты моделирования поведения элементов дислокационной структуры в условиях одновременного воздействия на кристалл постоянной и знакопеременной составляющих внешней нагрузки Личный вклад автора в проведенное исследование.
Автором проведен детальный анализ экспериментальных данных, известных из литературы к началу исследования, для щелочно-галоидных кристаллов, на основании которого предложены модели, адекватно описывающие поведение элементов дислокационной структуры в ультразвуковом поле
Разработаны алгоритмы и пакет программ, позволяющих моделировать взаимодействие элементов дислокационных структур с ультразвуковым полем и эволюцию дислокационной структуры кристалла под воздействием ультразвука
Автором на кристаллах со структурой NaCl, для которых имеются надежные экспериментальные данные, выполнено компьютерное моделирование поведения элементов дислокационной структуры и ансамблей дислокаций в ультразвуковом поле Проведен анализ полученных компьютерным моделированием результатов и установлены закономерности эволюции дислокационных ансамблей в ультразвуковом поле
Апробация. Результаты диссертационной работы докладывались на 6 Всероссийских и Международных научных конференциях и научно-практических семинарах, в тч на X Международной конференции «Imperfection interaction and anelasticity phenomena m solids (IIAPS - 10)» (Тула, 2001), Всероссийской конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика Г.В Курдюмова «Дефекты структуры и прочность кристаллов» (Черноголовка, 2002), XLII Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Калуга, 2004), XLIV Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Вологда, 2005), третьей Международной конференции «Кристаллофизика 21-го века» (Черноголовка, 2006)
Публикация результатов работы. Материалы исследований, представленных в диссертации, изложены в 30 работах, опубликованных в научных журналах, научно-технических сборниках, материалах, трудах и тезисах докладов Всесоюзных, Российских и Международных конференций, симпозиумов, совещаний и семинаров; ссылки на 30 из них приведены в тексте диссертации
Все основные результаты диссертационной работы опубликованы в 18 статьях, из них 78% (14 статей) опубликовано в ведущих российских журналах, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени доктора наук
Структура и объем работы.
В соответствии с поставленными целями исследования, характером и объемом проведенной работы, диссертация содержит введение, 5 глав, заключение, список литературы Общий объем диссертации составляет 218 страниц машинописного текста, содержащих текст работы, 78 рисунков, 5 таблиц и список использованных источников на 17 страницах, содержащий 142 наименования
