Введение к работе
Актуальность темы. При разработке современных конструкционных сплавов, в технологиях их производства, обработки и упрочнения используются все более тонкие сочетания физических, химических и механических свойств. Существует тенденция к увеличению роли пластической деформации в технологиях создания и обработки материалов. Поэтому исследование фундаментальных физико-механических свойств металлических материалов, постоянный синтез накапливаемых знаний о механизмах и процессах, лежащих в основе пластических и прочностных свойств материалов, является актуальной задачей.
Процессы пластической деформации развиваются на различных структурных и масштабных уровнях. Они определяются несколькими реализующимися в кристалле в результате и в процессе деформирующих воздействий основными явлениями' двойникованием, кристаллографическим скольжением, фазовым (мартенситным) превращением, диффузионным массопереносом Макроскопическое пластическое поведение кристаллов обусловлено обычно несколькими или всеми названными явлениями. Кристаллографическое скольжение почти всегда сопутствует другим явлениям, обеспечивающим макроскопическое формоизменение кристаллов, и часто является доминирующим процессом пластичности кристаллов.
Пластическое поведение и свойства кристаллических материалов существенно определяются совместным, как правило, нелинейным взаимообусловленным влиянием текущего дефектного состояния, типа и параметров деформирующего воздействия, характеристик материала и упрочняющих фаз (в гетерофазных материалах). Анализ влияния полной совокупности всех названных факторов на закономерности пластического поведения материала неосуществим как в экспериментальных, так и в теоретических исследованиях. Результаты экспериментальных исследований часто не позволяют проследить динамику явления, вьшвить доминирующие процессы пластической деформации Поэтому особое значение приобретает математическое моделирование как один из наиболее эффективных методов изучения сложных систем. Для понимания и использования закономерностей пластической деформации в широком спектре характеристик материалов и параметров приложенного воздействия одним из наиболее перспективных подходов является последовательное создание, развитие и применение математических моделей механизмов и процессов, определяющих основные явления пластичности (как в совместном рассмотрении, так и порознь, а также в любых представляющих интерес комбинациях).
Математические модели являются также эффективным средством синтеза знаний (объединяя информацию, полученную как экспериментально, гак и при теоретическом, модельном, концептуальном рассмотрении) о многообразии микромеханизмов пластичности, о фундаментальных свойствах элементов реальных кристаллических структур и процессах, осуществляющих пластическую деформацию и деформационное структурообразование Математическое моделирование механизмов, процессов и закономерностей пластической деформации и эволюции дефектной структуры кристаллических материалов является необходимой составляющей исследований в науке о пластичности и прочности. Результаты, полученные в процессе математического моделирования, могут составлять основу для прогнозирования перспективных путей совершенствования материалов.
В числе задач, которые, несомненно, являются актуальными, стоит и задача
полномасштабною исследования одного из явлений, определяющих пластическое формоизменение твердых тел в широком спектре условий деформирования и деформирующих воздействий - пластической деформации скольжения Такое исследование должно быть проведено на основе единых предположений для основных структурных уровней, на которых реализуется пластическая деформация скольжения В настоящей работе ставится задача воспроизвести методами математического моделирования закономерности пластической деформации скольжения и выявить основные сценарии эволюции деформационной дефектной подсистемы в г ц к материалах Как основные структурные уровни пластической деформации скольжения в работе рассматриваются элементарное скольжение, границей которого является расширяющаяся дислокационная петля и при формировании которого образуются основные линейные и точечные дефекты, формирующаяся в едином динамическом процессе зона кристаллографического сдвига; порождаемая совокупностью зон сдвига среда деформационных дефектов, взаимодействующих между собой и со вновь формирующимися зонами сдвига (в предположении об однородном распределении зон сдвига в объеме кристалла и их идентичности можно говорить об однородной деформационной дефектной структуре и однородной пластической деформации скольжения)
Целью диссертационной работы является математическое моделирование и исследование посредством вычислительного эксперимента процессов пластической деформации скольжения на структурных уровнях элементарного скольжения, зоны кристаллографического сдвига и однородной деформационной дефектной среды, а также анализ возможных сценариев развития деформационной дефектной подсистемы в монокристаллах г ц к металлов и дисперсно-упрочненных сплавов
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи
Провести исследование элементарного скольжения. Сформулировать уравнения динамики расширения и сжатия изолированной замкнутой планарной дислокационной петли, ограничивающей скольжение Вьшолнить сравнительное исследование влияния механизмов сопротивления движению дислокации на характеристики формирующихся элементарных скольжений Рассчитать микромеханические характеристики (скорость, кинетическую энергию) каждой из дислокационных петель, испущенных дислокационным источником после потери устойчивости Исследовать динамику приповерхностных дислокаций
Провести исследование зоны кристаллографического сдвига. Провести оценки времени формирования зоны кристаллографического сдвига и величины покализации в зоне сдвига, обусловленной различными механизмами блокировки дислокационного источника, а также локализации, связанной с динамическими свойствами дислокации
Провести исследование однородной среды деформационных дефектов (однородной пластической деформации скольжения). Записать частные модели механизмов генерации и аннигиляции деформационных дефектов на основе единых предположений и математические модели кинетики пластической деформации скольжения в гц к металлах и дисперсно-упрочненных материалах с некогерентной упрочняющей фазой Провести анализ роли различных механизмов и процессов генерации и аннигиляции деформационных дефектов и влияния характеристик материала, упрочняющей фазы, деформирующего воздействия и исходного дефектного состояния материала на закономерности деформационного уп-
рочнения и развитие деформационной дефектной подсистемы в г ц к металлах и дисперсно-упрочненных материалах с некогерентной второй фазой в условиях пластической деформации скольжения
Провести исследование эволюции дефектной подсистемы и ее устойчивости в различных условиях. С использованием предельных математических моделей, учитывающих максимальный вклад точечных дефектов в диффузионные процессы в различных интервалах температур, исследовать устойчивость дефектной подсистемы различного состава для г ц к металлов и дисперсно-упрочненных материалов в условиях различных воздействий Провести параметрический анализ моделей эволюции дефектной подсистемы и выявить все возможные (при принятых предположениях) сценарии развития дефектной подсистемы
В качестве материалов для исследования механизмов, процессов и закономерностей пластической деформации скольжения в работе выбраны ориентированные для множественного скольжения монокристаллы г ц к металлов и дисперсно-упрочненных материалов с г ц к матрицей и некогерентными недеформи-руемыми частицами второй фазы (то есть усложнение объекта исследования связано с одним фактором)
Научная новизна. Впервые в рамках единых предположений проведено комплексное исследование процессов пластической деформации скольжения на структурных уровнях элементарного скольжения, зоны кристаллографического сдвига, однородной деформационной дефектной среды Записано уравнение динамики распространения элементарного скольжения в приближении равномерно распределенных сил торможения дислокаций и постоянного линейного натяжения Впервые рассмотрена дислокационная динамика формирования зоны сдвига с учетом генерации точечных дефектов при кристаллографическом скотьжении Впервые на основе единых предпотожений сформулированы математические модели пластической деформации скольжения г ц к металлов и дисперсно-упрочненных материалов с некогерентной упрочняющей фазой включающие уравнения баланса достаточно полного набора составляющих дефектной подсистемы, все механизмы аннигиляции записаны на основе единого подхода, учтен полный набор парных взаимодействий между точечными дефектами как деформационными, так и термодинамически равновесными Проанализированы вклады различных механизмов и процессов пластичности скольжения в деформационное упрочнение при различных температурах Впервые проведен анализ всех возможных сценариев развития дислокационной подсистемы в деформируемых г ц к металтах и дисперсно-упрочненных материалах с некогерентными частицами для различного состава деформационной дефектной подсистемы в широком спектре условий
Научная и практическая значимость. Проведено комплексное исследование основных механизмов, процессов и закономерностей пластической деформации скольжения на структурных уровнях элементарного скольжения, зоны кристаллографического сдвига и однородной деформационной дефектной среды Установлено, что определяющее влияние на динамические характеристики формирующихся элементарных скольжений и зоны сдвига оказывает вязкое сопротивление движению дислокаций Установлены условия, при которых возможно возникновение осцилляции дислокационных петель, испускаемых источником Показано, что генерация точечных дефектов дислокациями в процессе образования элементарных скольжений и зон сдвига может приводить к значительному уменьшению
диаметра зоны сдвига и времени формирования зоны сдвига (до порядка величины), средняя скорость дислокации уменьшается при этом приблизительно в два раза по сравнению с дислокациями, не производящими точечных дефектов
Исследовано влияние параметров воздействия, исходного дефектного состояния и характеристик второй фазы на кривые деформационного упрочнения и кинетику составляющих дефектной подсистемы в г ц к материалах при различных температурах Проанализированы вклады различных механизмов и процессов пластичности скольжения в деформационное упрочнение г ц к материалов
Исследована устойчивость дислокационной подсистемы дисперсно-упрочненных сплавов с некогерентной упрочняющей фазой при интенсивных воздействиях Проведен параметрический анализ модели эволюции дислокационной подсистемы и выявлены все возможные (при принятых в модели предположениях) сценарии развития дислокационной подсистемы Исследована эволюция дислокационной подсистемы характеризуемой суммарной плотностью дислокаций всех типов, в условиях деформации при постоянной интенсивности воздействия, постоянном напряжении и постоянной нагрузке при одноосном растяжении и сжатии для гцк металлов и дисперсно упрочненных материалов
Полученные в работе результаты вносят вклад в построение теории пластичности и прочности гц к материалов
Автор выносит на защиту:
Дислокационно-динамическое описание распространения элементарного скольжения и формирования зоны кристаллографического сдвига на основе двумерной модели замкнутой дислокационной петли, расширяющейся в плоскости скольжения Результаты исследования динамики элементарного скольжения и процесса формирования зоны кристаллографического сдвига, влияние различных механизмов сопротивления скольжению на динамику дислокации, а также характерные времена образования дислокационной петли и зоны кристаллографического сдвига и их зависимость от характеристик материала его дефектного состояния и деформирующего воздействия
Математические модели ппастической деформации скольжения для гцк металлов и гегерофазных материалов с недеформируемой упрочняющей фазой включающие уравнения баланса сдвигообразующих дислокаций дислокаций в дипольных конфигурациях вакансионного и межузельшого типа, призматических дислокационных лететь вакансионного и межузельного типа межузельных атомов, моно- и бивакансий Все частные модели получены на основе единых предположений, учтен полный набор парных взаимодействий между точечными дефектами (деформационными и термодинамически равновесными)
Результаты исследования роли различных механизмов и процессов пластической деформации скольжения, характеристик материала, исходного дефектного состояния и приложенного воздействия в деформационном \прочнении и эволюции составляющих дефектной подсистемы гцк металлов и дисперсно-упрочненных сплавов на их основе в условиях деформации скольжения при раз-тичных температурах и воздействиях
Результаты исследования эволюции дислокационной подсистемы в процессе пластической деформации гегерофазных материалов с некогерентной упрочняющей фазой в условиях максимального вклада диффузионных процессов и выявленные основные сценарии развития дислокационной подсистемы, а также измене-
ниє структуры фазового пространства при изменении значений параметров, характеризующих интенсивность приложенного воздействия и упрочняющую фазу
5 Результаты анализа устойчивости дислокационной подсистемы, характеризуемой суммарной плотностью дислокаций всех типов, в условиях деформации при постоянном напряжении и постоянной нагрузке при одноосном растяжении и сжатии, а также при постоянной интенсивности воздействия для г ц к металлов и дисперсно-упрочненных материалов
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки задачи в строго описанных приближениях, использованием современных математических и вычислительных методов, анализом литературных данных и сопоставлением последних с результатами, полученными в ходе выполнения настоящей работы
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих симпозиумах, конференциях и семинарах Международных семинарах «Современные проблемы прочности» им В А Лихачева (Великий Новгород, 1997, 1998, 1999, 2000, 2001, 2002, 2003), Международных семинарах «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах» (Барнаул, 1985, 1987, 1988, 1989, 1990, 1992, 1994, 1996. 1998. 1999, 2000), Международных семинарах «Актуальные проблемы прочности» (Тарту, 1985, Новгород, 1994, С-Петербург, 1996, 1997, Тамбов, 1998, Псков, 1999, Витебск, 2000, Киев, 2001, С -Петербург, 2001, В Новгород, 2002, Калуга, 2004, Витебск, 2004), Петербургских чтениях по проблемам прочности (2002, 2003), Межгосударственных семинарах «Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий» (Обнинск, 1995, 1997, 1999, 2003) Международной конференции «Релаксационные явления в твердых телах» (Воронеж, 1999), International Workshop «Computational Mechanics and Computer Aided Design of Materials» (Germany, Берлин, 1999, Freiberg, 2001), Международных конференциях «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (Тамбов, 1996, 2000, 2003), Всесоюзном семинаре "Структура дислокаций и механические свойства металлов и сплавов" (Екатеринбург, 1984, 1993, 1996), Всесоюзной конференции "Физика разрушения" (Киев, 1985, 1989), Twelfth European Crystallography Meeting (Москва, 1989), 9-th International Conference on the Strength of Metals and Alloys (Haifa, Israel, 1991), Международной конференции "Прочность и пластичность материалов в условиях внешних энергетических воздействий" (Новокузнецк, 1988, 1993, 1995, 1999), Всероссийской научно-технической конференции «Математическое моделирование процессов обработки материалов» (Пермь, 1994, 1995), Зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 1995, 1997, 1999, 2003), The Third International Congress Industrial and Applied Mathematics (Hamburg, 1995), Международной конференции «Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах» (Тула, 1997), V-th Russian-Chinas International Symposium "Advanced Materials and Processes' (Ьайкальск, 1999), International symposium MASHTEC-90 (Dresden, 1999), The International Workshop "Mesomechanics Foundations and applications" (Томск 2001, 2004), VI International Conference "Computer-aided Design of Advanced Materials and Technologies ' (Томск, 2001), Всероссийской конференции «Дефекты структуры и прочность кристаллов» (Черноголовка, 2002), The Fifth World Congress on Computational Mechanics (Vienna, Austria, 2002), XV Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (Тольятти, 2003), The 7th Korea-Russia International
Symposium on Science and Technology (Ulsan, 2003); Второй Международной конференции по физике кристаллов «Кристаллофизика 21-го века» (Москва, 2003); Thirteenth International Conference on the Strength of Materials "Fundamental Aspects of the Deformation and Fracture of Materials» (Budapest, Hungary, 2003); International Conference «Mathematical Methods in Physics Mechanics and Mesomechanics of Fracture» (Томск, 1996); Международной научно-практической конференции «Прикладные задачи математики и механики» (Севастополь, 2002, 2003), III Международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (Черноголовка, 2004) Математические аспекты работы были доложены и обсуждены на Всероссийском семинаре «Моделирование неравновесных систем» (Красноярск, 2000); Всесибирских чтениях по математике и механике (Томск, 1997); Сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике (Новосибирск, 1998). 5-ой Международной конференции «Компьютерный анализ данных и моделирование» (Минск, 1998); International Conference on Dynamics Systems & Applications (Atlanta. USA, 1999, 2003), Международной конференции «Математические модели и методы их исследования» (Красноярск, 1997,1999,2001).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, заключения и списка использованной литературы из 476 наименований. Диссертация изложена на 522 страницах, включая 276 рисунков и 15 таблиц
