Введение к работе
Актуальность работы. Двухслойные системы в виде металлических фольг, закрепленных на подложках, являются важнейшими структурными частями микросистем, которые находят широкое применение в инженерных приложениях в качестве токопроводящих дорожек, сенсоров, защитных, функциональных покрытий и т.д. В процессе эксплуатации двухслойные системы подвергаются воздействию механических вибраций или температуры, которые вызывают появление на интерфейсе напряжений и деформаций и могут приводить к их деградации. Поэтому исследование поведения металлических фольг, закрепленных на подложках, под действием приложенных напряжений, представляет практический интерес, связанный с обеспечением надежной работы микросистем.
С другой стороны, при исследовании поведения разнообразных двухслойных систем [1-5] при различных воздействиях обнаружены явления, имеющие общий характер, не зависящий от природы материалов, из которых они образованы. Явления заключаются в потере устойчивости поверхностью двухслойной системы при достижении некоторых критических параметров и формировании периодических структур, длина волны которых зависит от толщины поверхностного слоя. Такие явления отражают фундаментальные свойства интерфейсов двухслойных систем и их исследование представляет научный интерес.
Периодические структуры обнаружены на поверхности монокристаллических фольг высокочистого алюминия с ориентацией {100}<001>, наклеенных на плоские образцы высокопрочных сплавов при циклическом растяжении последних в упругой области [2 и др.]. Периодические структуры представляют собой макроскопические полосы, ориентированные вдоль оси растяжения.
В работе [3] при циклическом растяжении массивных образцов монокристаллов алюминия с ориентацией {100}<001> на поверхности наблюдали периодическую структуру, которую авторы назвали твидовой. Механизм образования данной структуры не выявлен до настоящего времени.
В подходе физической мезомеханики деформируемое твердое тело рассматривается как многоуровневая самоорганизующаяся система, в которой поверхностный слой является самостоятельным структурным уровнем пластической деформации, играющим исключительно важную роль в механическом поведении деформируемого твердого тела как целого [1]. Поверхностный слой характеризуется ослабленными силами связи, что обусловливает образование в нем специфической дефектной структуры, сдвиговая устойчивость которой оказывается более низкой по сравнению с объемом кристалла. Поэтому деформируемое твердое тело рассматривается как двухслойная система «сдвигонеустойчивый поверхностный слой — объем материала» [1]. В процессе механического нагружения на интерфейсе сдвигонеустойчи-вого поверхностного слоя и менее деформированного объема материала образуется периодическое распределение напряжений и деформаций, которое было названо авторами [1] эффектом «шахматной доски».
В связи с вышеизложенным исследование механизмов формирования периодических структур на фольгах монокристаллов алюминия {100}<001>, закрепленных на подложках из высокопрочных сплавов в процессе циклического растяжения,
4 с позиций многоуровневого подхода физической мезомеханики является актуальной задачей.
Исследования выполнены в рамках международного проекта INTAS, в котором участвовали команды концерна AIRBUS (Великобритания), Фраунгоферовско-го института неразрушающих методов контроля (филиал в г. Дрездене, Германия), Института металлофизики НАН Украины (г. Киев, Украина), Учреждения Российской академии наук Института физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН (г. Томск, Россия). Проект был посвящен разработке методики мониторинга накопления усталостных повреждений в авиационных сплавах с помощью сенсоров, в качестве которых использовали монокристаллические фольги алюминия с ориентацией {100}<001>. Идея использовать алюминиевые фольги в качестве сенсоров принадлежит проф. Е.Э. Засимчук с коллегами. Монокристаллическая фольга высокочистого алюминия {100}<001> наклеивается на поверхность диагностируемого материала, и по изменению деформационного рельефа фольги можно судить о степени накопления усталостных повреждений в подложке.
Цель работы состоит в исследовании на мезомасштабном уровне особенностей пластической деформации монокристаллических {100}<001> фолы высокочистого алюминия, наклеенных на конструкционный материал, при циклическом растяжении, выявлении возможных механизмов формирования поверхностных деформационных структур и их количественной аттестации с помощью фрактальной размерности.
Для достижения этой цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
Исследование на мезомасштабном уровне закономерностей образования периодического поверхностного рельефа на фольгах монокристаллов алюминия {100}<001>, закрепленных на образцах высокопрочного алюминиевого сплава, подвергнутых циклическому растяжению.
Сопоставление полученных результатов с известными литературными данными о механизмах образования периодических структур на интерфейсах двухслойных систем при различных воздействиях. Выяснение возможных механизмов образования поверхностных структур на фольгах монокристалла алюминия {100}<001> на мезомасштабном уровне при циклическом растяжении.
Количественная аттестация деформационного рельефа фольги фрактальной размерностью.
Научная новизна. Показано, что образование периодических структур различного масштаба на монокристаллических фольгах алюминия {100}<001> связано с наличием двух интерфейсов: «алюминиевая фольга - образец» и «фольга алюминия - ее поверхностный слой». Впервые на монокристаллических фольгах алюминия в переходной области между продольными макроскопическими полосами и твидовой структурой с периодом Г~2,8 мкм обнаружена твидовая структура субмикронного диапазона с периодом Т~ 0,33 мкм. Показана роль моментных напряжений, возникающих вследствие внецентренного растяжения фолы, наклеенных на плоские образцы высокопрочных сплавов, в опережающем развитии пластической деформации на свободной поверхности фольги по сравнению с закрепленной поверхностью при циклическом растяжении. Показано, что шаровидная форма твидовой структуры на поверхности монокристаллов алюминия хорошо объясняется на
основе модели нестабильности Гринфельда. Впервые показано, что при несвободном циклическом растяжении монокристаллических фольг алюминия {100}<001> образуются самоподобные структуры в виде квадратных решеток.
Практическая значимость работы. Влияние моментных напряжений, возникающих вследствие внецентренного приложения нагрузки к фольге, необходимо учитывать при использовании защитных и функциональных покрытий, особенно при циклическом нагружении и большой толщине покрытий.
Фрактальный анализ лазерных профилограмм может быть эффективно использован для количественной характеристики эволюции деформационного рельефа алюминиевых фольг, которые могут применяться в качестве сенсоров для мониторинга усталостных повреждений в авиационных сплавах.
На защиту выносятся следующие положения:
Образование продольных макроскопических полос на монокристаллических фольгах алюминия {100}<001>, закрепленных на образцах алюминиевого сплава, в процессе циклического растяжения последних в упругой области связано с периодическим распределением сжимающих напряжений на интерфейсе «алюминиевая фольга - образец».
Формирование твидовой структуры на поверхности кристаллов алюминия при циклическом растяжении происходит в условиях нестабильности Гринфельда.
Закономерности формирования периодических деформационных структур связаны со спецификой пластической деформации ослабленного поверхностного слоя фольги монокристалла алюминия как самостоятельной подсистемы.
4. Обнаруженные на фольгах монокристалла алюминия деформационные
структуры в виде квадратных решеток различного масштаба являются самоподоб
ными в интервале линейных размеров от долей до сотен микрометров. Стадийность
изменения фрактальной размерности с ростом числа циклов растяжения количест
венно характеризует стадийность эволюции деформационных структур, а падение
фрактальной размерности — образование трещин, что может использоваться для
диагностики стадии предразрушения циклически деформированной фольги.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и школах-семинарах: Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (г. Томск, 2006), Всероссийской школе-семинаре «Новые материалы. Создание, структура, свойства» (г. Томск, 2007), Международной школе-семинаре «Многоуровневые подходы в физической мезомеханике. Фундаментальные основы и инженерные приложения» (г. Томск, 2008), IV Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения» (г. Томск, 2008), Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» НТИ-2008 (г. Новосибирск, 2008), V Международном междисциплинарном симпозиуме ФиПС-08 «Прикладная синергетика в нанотехнологиях» (г. Москва, 2008), ГУ Российской научно-технической конференции «Ресурс и диагностика материалов и конструкций» (г. Екатеринбург, 2009), XVII Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (г. Самара, 2009), Международной конференции по фи-
зической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (г. Томск, 2009), III Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» DPMN-2009 (г. Москва, 2009).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 22 работы: 4 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендуемых ВАК, 5 статей и тезисы 13 докладов в сборниках трудов международных и российских конференций.
Достоверность научных положений, результатов и выводов подтверждается использованием многочисленных современных экспериментальных методов, устойчивой воспроизводимостью результатов, согласием экспериментальных результатов с литературными данными других авторов и с оценками, полученными на основе теоретических моделей.
Структура и объем диссертации. Текст диссертации состоит из введения,
5 разделов, заключения и списка цитируемой литературы. Работа содержит 59 ри
сунков, 3 таблицы. Библиографический список включает 175 наименований. Общий
объем диссертации 173 страницы.
