Введение к работе
Актуальность работы. Одной из фундаментальных проблем современной физики конденсированного состояния является исследование взаимодействия внешних полей и структурных дефектов кристаллов. Физические свойства реальных кристаллов определяются не только плотностью их структурных дефектов, но и взаимодействием структурных дефектов друг с другом. Присутствие внешних полей вызывает перераспределение дефектной структуры, что приводит к изменению физических свойств материала. Установлено, что в щелочно-галоидных кристаллах в присутствии слабого магнитного поля наблюдается явление магнитопластичности - увеличение подвижности дислокаций. Влияние на пластические свойства кристаллов оказывает и ультразвук. В современных технологиях ультразвуковая обработка материалов широко используется для придания образцу наперед заданных свойств. Кроме того, в процессе эксплуатации различные твердотельные детали могут подвергаться длительной высокочастотной вибрации, что в свою очередь может приводить к их деградации и последующему разрушению. Именно поэтому исследование механизмов, вызывающих изменение физических свойств реальных кристаллов при ультразвуковом воздействии, является не только фундаментальной задачей физики конденсированного состояния, но и обуславливается большим прикладным значением.
Для исследования поведения структурных дефектов в кристаллах при воздействии внешних полей в настоящее время применяются экспериментальные и теоретические методы. Экспериментальные методы позволяют установить первоначальные и конечные дефектные структуры, но не позволяют исследовать особенности динамики дислокаций при воздействии ультразвука. Поэтому для исследования взаимодействия внешних полей и дефектов кристаллической структуры применяется метод компьютерного моделирования, адекватность и результативность которого проверена на хорошо изученных системах. Метод компьютерного моделирования позволяет установить взаимосвязь внешних факторов и пластических свойств материала.
В настоящее время с каждым годом увеличивается число публикаций, посвященных влиянию ультразвука на формирование и эволюцию дефектной структуры твердых тел. Однако имеющаяся научно-техническая литература не дает полного представления о механизмах, протекающих на микроуровне в твердых телах, подвергающихся воздействию ультразвука. Современные теории не позволяют однозначно предсказать поведение образца на макроскопическом уровне. Поэтому задача разработки моделей, алгоритмов и программ для осуществления моделирования дислокационных процессов является актуальной.
Целью настоящей работы является исследование физических процессов, происходящих на микроуровне при эволюции источника Франка-Рида, в кристаллах с заряженными дислокациями методом математического моделирова-
ния в условиях сложнонагруженного состояния: одновременного воздействии ультразвуковой и постоянной нагрузок.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Провести анализ современных методов исследования дефектной структуры материалов, в частности посвященных решению задачи эволюции источника Франка-Рида. Обосновать выбор метода исследования для достижения поставленной цели.
-
На основе физической модели разработать методику моделирования физических механизмов и процессов, обуславливающих работу источника Франка-Рида в условиях сложнонагруженного состояния.
-
Выполнить моделирование процесса эволюции источника Франка-Рида при наличии ультразвукового поля.
-
На основании анализа результатов моделирования выявить особенности срабатывания источника Франка-Рида в условиях сложнонагруженного состояния, когда на дислокации леса и скользящую дислокацию могут действовать как постоянная, так и знакопеременная нагрузки.
-
Изучить характеристики электрического поля заряженного дислокационного сегмента; установить роль заряда скользящей дислокации при работе источника Франка-Рида и разрушение ионного кристалла в условиях сложнонагруженного состояния.
Научная новизна полученных результатов состоит в том, что:
-
Впервые для исследования процесса эволюции источника Франка-Рида в условиях сложнонагруженного состояния используется метод компьютерного моделирования с высокой степенью параллелизма вычислений на ЭВМ.
-
Установлено, что число сработавших источников Франка-Рида зависит от первоначальной длины сегмента, амплитуды ультразвука и величин постоянной нагрузки, действующих на дислокационный сегмент, а так же состояния фаз колебаний дислокаций леса.
-
Предложена и реализована в виде программы феноменологическая модель, описывающая электрические поля заряженной дислокации. Методом компьютерного моделирования были получены значения напряженности и потенциала вдоль радиальных срезов источника Франка-Рида. Установлено, что для среза силового поля дислокационного сегмента, сделанного через точки закрепления в плоскости дислокации, наблюдается инверсия знака.
-
Оценены характеристики электростатического поля, генерируемого закрепленным дислокационным сегментом в условиях сложнонагруженного состояния. Установлено, что при определенных условиях величина напряженности поля может достигать значений, сравнимых с пробойным для атмосферного воздуха. Основываясь на анализе сило-
вых линии электрического поля дислокационного сегмента, визуально показано направление возможного электрического пробоя.
Научная ценность и практическая значимость работы. Полученные в работе данные могут быть использованы при разработке теории прочности и пластичности материалов. Рассмотренная модель работы источника Франка-Рида в условиях сложного нагружения позволяет прогнозировать процесс пластической деформации и разрушения материалов, оценить срок их службы, возможности деградации в зависимости от режимов нагружения. Также результаты работы могут быть использованы при разработке современных технологий обработки материалов: как для достижения высокой пластичности материала, так и для придания материалам заранее заданных свойств.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Разработанные модель, алгоритм и пакет программ, позволяющие де
тально исследовать процесс работы источника Франка-Рида при усло
вии одновременного воздействия постоянной и знакопеременной на
грузок.
2. Закономерности изменения критического напряжения срабатывания ис-
точника Франка-Рида в зависимости от параметров ультразвука, свойств пластичности исходного материала и внешней постоянной нагрузки.
-
Разработанные модель, алгоритм и методика моделирования электрических полей заряженного дислокационного сегмента.
-
Закономерности изменения напряженности и потенциала электрического поля, развивающейся дислокационной петли источника Франка-Рида в зависимости от ее геометрических параметров.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на Первых Московских чтениях по проблемам прочности материалов (Москва, 2009); XIV Национальной конференции по росту кристаллов (Москва, 2010); Международной научно-практической конференции "Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности" (СПб., 2011); LII Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Уфа, 2012); XX Петербургских чтениях по проблемам прочности, посвященных памяти профессора В.А. Лихачева (СПб., 2012).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 2 статьях из перечня ВАК и 8 тезисах докладов на международных и всероссийских конференциях.
Достоверность результатов. Выводы диссертации основаны на проведении комплексных исследований, с последующим сопоставлением полученных при компьютерном моделировании данных с экспериментальными данными других авторов. Полученные результаты не противоречат известным положениям физики конденсированного состояния.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка цитированной литературы, содержащего 132 наименования. Полный объем составляет 115 страниц машинописного текста, в том числе 44 иллюстрации и 2 таблицы.
Личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертационной работе. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат разработка программного комплекса эволюции источника Франка-Рида, проведение вычислительных экспериментов, обработка полученных результатов, а также участие в их обсуждении и написании статей.
