Моделирование дефектов, дислокационные превращения в ГЦК металлах и упорядоченных сплавах Яковенкова, Людмила Ивановна

Введение к работе

Актуальность исследований. Одной из вакнейших задач физики твердого тела является исследований реальной структура металлов и сплавов. Существенную роль во многих физических процессах играют дефекты структуры и взаимодействие между ими. Поэтому, изучению характеристик дефектов и их эволюции под действием различных факторов уделяется большое внимание.

Экспериментальные и теоретические исследования последних лет показали, что большинство особенностей поведения дислокаций, определяющих как механические свойства, так и те характеристики, в которых проявляется взаимодействие дислокаций с электронной системой, существенно зависят от атомной структуры ядра дислокации. Изучение структуры ядра является актуальной проблемой теории дислокаций. ' Ваннейшим подходом к решению этой проблемы является моделирование< на ЭВН втоыных конфигураций при заданных внесших условиях .с использованием заданного потенциала взаимодействия между атомами.

Структура ядра и характер расщепления дислокаций во многом определяют взаимодействие дислокаций с точечными дефектами (вакансиями, иеядоуалиями, примесными атомами). Ваяным в исследовании этих процессов являвся оценка энергии взаимодействия точечных дефектов о дислокациями, определение зоны звхЕата дислокзцияии вакансий н внедренных атомов в зависимости от типа реветки, её анизотропии к т.д. Всё это существенно для опксзная процессов термической и радиационной ползучести, распада твердого раствора и т.д.

Поиски новых путей повышения прочности металлов и сплавов привели к необходимости разработки дислокационных моделей и созданию достаточно обоснованных теоряй пластичности на только чистых металлов, но также н более сложных объектов, таких как упорядочении сплавы и иятерметаллиды. Среди чистых металлов привлекает к собе особое внимание иридий - тугоплавкий неталл с высокой прочность!» и исключительной стойкостью к окислению и коррозии, который необычен своиии механическими свойствами (хрупкий характер разруиенкя).

Интерес к упорядочивающимся твердый растворам и интерметаллэ-дам обусловлен тем, что они обладают особыми электрическими, вагли-тными и механическими свойствами. Многие из них используются з современном энергетическом и химическом машиностроении. Это определяет актуальность их изучения.

Некоторые из этих материалов являются удобными модельнкмя

объектами и для проверки выводов теории прочности и пластичности металлов и сплавов. Экспериментальное изучение пластической деформации упорядоченных сплэвов со сверхструкгурами типа Ц_г и Ир выявило ряд характерных особенностей: во-первых, аномальную температурную зависимость, которой в ряде сплавов предшествует либо слабая температурная зависимость, либо сильное уменьшение деформационных характеристик о температурой; во-вторых, высокое деформационное упрочнение в 'сверхструктурах типа 1{₀ ., связанное с доменными границами и с появлением периодических антифазных границ как в структуре типа Ц_ь , тая и типа < .

В связи с непрерывно возрастающим опросом промышленности на материалы, являющиеся объектом исследования в данной работе, выяснение природы упрочнения . создание ясных представлений о механизмах пластической деформации этих материалов представляется своевременным.

Цель настоящей работы состоит в теоретическом исследовании с использованием метода компьютерного моделирования структуры и поведения дислокаций в металлах и упорядоченных сплавах, обладающих уникальными свойствами, и объяснении на этой основе особенностей их деформации и упрочнения.

Для её достижения было необходимо: сконструировать межатомные потенциалы взаимодействия, исследовать эволюцию структуры ядра дислокаций, изучить особенности расщепления краевой и винтовой дис локаций, выяснить природу дислокационных механизмов упрочнения, исследовать структуру, и свойства иехфаэных границ.

Научная новизна полученных в диссертации результатов заключается в следующем:

1. Впервые построены эмпирические парные центральные потенциалы взаимодействия для ГЦК металлов с меняющимися в широких пределах (50...600 нДж/м^) значениями энергий дефектов упаковки.

2. Построены эмпирические потенциалы межатомного взаимодействия для упорядоченных сплавов типа //^ с различным набором энергий пленарных дефектов.

3. Предложены потенциалы межатомного взаимодействия в иридии и родии. Установлена связь между особенностями деформационного поведения этих иетаяйоа и структурой ядра дислокации.

*. Моделированием на ЭВМ с использованием предложенных в работе потенциалов установлено, что

- полосы дефектов упаковки, принадлежащие расщепленный дисдо-

кацияи, являются активным стоком вакансий;

энергия связи вакансии а расщепленной краевой дислокацией выше, чем о расщепленной винтовой, и увеличивается с ростом энергии дефекта упаковки;

энергия связи вакансии с расщепленныии дислокациями достаточно высока не только вблизи частичных дислоквций, но и в области дефекте упаковки;

в ГЦК иеталлах при высоких значениях энергий дефектов упаковки ядро винтовой дислокации становится некошіланарньш;

- конфигурации ядра дислокаций в упорядоченных сплавах типа
Ц_ь являются нэкомпланарными.

5. Впервые проведен анализ существования сверхдислокаций различных типов в упорядоченных сплавах со сверхструктурой //_л и найдены соотношения ыеяду энергиями поверхностных дефектов, при которых меняется тип расщепления сверхдислокация различной ориентации

6. Исследованы твриически активируемые процесси образования и разрушения дислокационных.барьеров а упорядоченных сплавах со структурой H_z ответственные зз температурные акоаалии деформационных характеристик данных сплавов. Показано, что:

энергия активации образования барьеров для сверхдислокаций I и п типов низе, чей зьергия активация их разруезная;

при ориентировке .100>осп деформации, когда внешнее сдвиговое напряжение в плоскости куба равно нулю, анергия активации образования барьеров не отличается существенно от соответствующих энергий активации при других ориентировках;

сопоставление полученных результатов о экспериментальными данными позволяет объяснить совокупность экспериментальных данных по пластической деформации а дислокационной структуре изучаемых сплавов.

?. Впервые изучено взаимодействие дйсгокаций (как лодннх, так и двойнакущих) с границами доаенов двойниковой оризвтацаа в сплзвах со структурой 6/е , а токжо в сплавах со структурой ^/_г и Но с периодическими антифазными доыенныыи границаыи:

предлояен новый тип двойвикувщой дислокации, для которой до-ианяые границы прозрачны;

вычислены энергии активации прорыва дислокаций через доменные границы;

- предложена иодедь прохоадения сдвига в сплавах типа 1<_г а
А4₀ с периодачесюши антифэзяыми границами;

- дана интерпретация результатов исследований дислокационной структуры этих сплавов.

8. Расширено представление о кристалдогеометрии наследования дислокаций при ГЦК & ГПУ и ГПУ jr ОЦК превращениях. Предложен способ оценки степени соответствия ОЦК/ГЦК межфэзных границ при ори-ентационкых соотношениях Курдюмова-Загса.

Научная и практическая ценность работы» Сконструированные эм-пирические парные потенциалы взаимодействия атомов для ГЦК метал-яов и сплевов типа Х иогут быть использованы при проведении исследований в нескольких направлениях. Например, при изучении границ доненов, границ зерен и взаимодействия с ними точечных дефектов и даолоквций в упорядочении сплавах; при рассмотрении явлений распухания и радиационной ползучести (взаимодействие междоузлий и других комплексов точечных дефектов о расцепленными дислокациями в ГЦК металлах и упорядоченных сплавах типа /,i_z ).

Новая информация о форме зоны захвата вакансии расщепленными винтовыми и краевыми дислокациями и её эволюции с ростом энергии дефекта упаковки важна для анализа явлений радиационного распухания а радиационной ползучести.

Новые данные об изменении структуры ядра винтовой дислокации в ГЦК металлах и упорядоченных сплавах при возрастании энергии дефекта упаковки расширяют представления о возможных типах расщепления дислокаций в ГЦК структурах.

Полученные в работе результаты анализа дислокационных превращений в упорядоченных сплавах со структурами //_г и I 1„ позволяют интерпретировать экспериментально наблюдаемые особенности шх дислокационной структуры и упрочнения. Вместе с тем, эти теоретические иосаедования дают возможность сформулировать основные направления дальнейших экспериментальных исследований и иогут служить основой для разработки сплавов с различными типами температурной зависимости деформационных характеристик.

метод расчета энергии активации, развитый в диссертационной работе, может быть использован и для других структур при изучении дислокационных превращений.

Рассмотренные s работе вопросы кристаллогеоиетрии наследования дислокаций при мартенситных превращениях и анализ ОЦК/ГЦК мех-фаэных границ, могут быть учтены при разработке способов упрочнения сталей и сплавов.

На закат? віінооится:

1. Результаты определения зоны зэхвзта вакансии рзскепленньшп дислокациями в ГЦК металлах с. различными Ееличкнаыя энергий дефектов упаковки, полученные с использованием сконструированных потенциалов аеязтомного взаимодействия атомов,

2. Расчет неконплэнзрного расщепления ядра винтовой дислокации в ГЦК металлах яра высокой энергии -дефектов упаковки.

3. Результаты.ЭВМ моделирования, структуры ядра дислокаций в иридия и родии, проявлявши: аномадьяув хрупкость после высокю; степенен деформации.

Ь» Парерзсйзпленяе ядра дислокаций, полученное з результата ЭВМ эксперимента, с который связана низкотемпературная аномалия деформационных характеристик упорядоченных сплавов типа //_д

5. Результати теоретического последовдн;:я термически актигиро-
вапних превращении дислотци;:, отззтсїкіііпд: г:з те;<пзратушшз за-
низпиости деформационных характеристик у орядочешп'х.сплавов со
структуро?! /. ,

G. Результати изучения прслраг^пиЛ д.чслокаилЗ при вззи'шдз;'стг.п:1 о гпапицанн С-докеноп и сплавах чі'.пі /А„ п в сплавах типа /,{« ч

jLIc, с периодически::'; апті??азіп?:г;і дсменяш':; грашщш;:;.

7. Результаті, анализ:! ОДЬ'/ГЦК нзтйпзше: грани:', коилутсего ссот-вототзіія при ор:ізнтац!!олн!-:х со'от;:спеп.","Х Кур^гаого-Заге.?.

Апробация работы. Матог-:;.^:: диссертация ояубяикозчя в 3G сгэгь-пх. Реэультзгя наследован::;! і-мгл представлена из различию: нзлл"-::ірод;!і:і: и всесоюзних коифчреши^:".

Основниз результати диссертации докзпдііі.одііоь на 13-п\< (Горьки if, 198).), 16-сл (Ann-Arc:, 1902), IG-Q"! (Ростов- на Дону. 1353). 19-ом (Сийрддокк, тл), 21-:-: (Anva-VJa,' IS'CS), 22-ом (їб::гі;:е::. I9G5), 3">х: ('„'.іксі:, 1991), ЗЗ-er; (Кагали:."-і, Х99Ї) Пссаог.зн'гх і"-;(і!і!ар.?х по иололиротшт на ЗІ!' рэдазцноп'гл: -і друга:: до^нхоп* г-І.-0» (Одессе, Г992), 2-е: ('Л.іьяії::, 19^3) н 3-е>: G*-j:.-;:, ІОГО когдународпнх се^іпізрох'по ко::пьпгзрнс."у і:одсл"ротаниз де^зк-гоп: по 5-ои (Том::, 1576), б~сл (Кке?^!. I97G). 7-oj: (Сверплогзті, ї?85) Всесоюзних совоізашіях по упорядо^пі-д згеноз и его зяяні:::» из свойства сплавов; нэ Координационных сеапнарях по проблемо "Сизяка де-форизцпонпого упрочнения'-' (Бзрпауи, 1973 и 1979); va k-m (СЕзрд-лоеск, 1939), 5-сн (Свердловск, 1950), б-ou (Сшрдяоюк, 1993) Всесоюзних секинарак "Структура дислокаций я механически свой тез :»о-тадлов и сплавов"; на конференция по актуальніш проблемам пласта-

чеокой деформации (Томск, 1982); на 5-ом семинаре по теории радиационных повреждений материалов ядерных и термоядерных реакторов (Харьков, 1984); на б-оы семинаре по теории радиационных повреждений реакторных материалов (Обнинск, Г985); на Всесоюзном нвучном семинаре "Механизмы структурных превращений в металлах и сплавах" (Черкассы, 1991); на 1-ом Международном семинаре "Эволюция дефектных структур в металлах и сплавах" (Барнаул, 1992).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 30 статьях, список которых приводен в конце автореферата.

Структура работы. Диссертация состоит ив введения, паств глав, заключения и содержит 364 страницы машинописного текста, 79 рисунков, 30 таблиц, три приложения и библиографию, включающую 372 наименования.