Введение к работе
Актуальность темы. Одним из наиболее общих явлений, происходящих при пластической деформации и рекристаллизации поликристаллических материалов, является накопление дислокаций в границах зерен (ГЗ). Захваченные границами дислокации становятся составной частью структуры ГЗ и участвуют в специфических процессах, кинетика которых определяется как внешними условиями, так и исходной структурой ГЗ. Эти процессы играют важнейшую роль в механических и физических свойствах поликристаллов.
Можно выделить по крайней мере три очень важных для практики случая, когда эта роль становится определяющей: область малых деформаций, в том числе до предела текучести, ультрамелкозернистые (УМЗ) материалы, полученные сверхбольшой пластической деформацией, и структурная сверхпласгичность мелкозернистых металлов и сплавов. Для теоретического описания и предела текучести, и физико-механических свойств УМЗ материалов, и кинетики сверхпластической деформации важно знать структуру и поведение систем зернограничных дислокаций (ЗГД), формирующихся в процессе деформации.
Ввиду микроскопической неоднородности деформации зерен и распределения размеров, ориентации зерен и разориентировок ГЗ, эти системы ЗГД, по сути, являются неравновесными ансамблями дислокаций, в которых силы взаимодействия между дефектами не уравновешены, и нет полной экранировки полей напряжений. Вследствие этого ГЗ при деформации обладают дальнодействуюшими полями напряжений и избыточной энергией упругого происхождения. Неравновесные ансамбли дислокаций в ГЗ метастабильны: при повышении температуры они релаксируют путем аннигиляции и/или образования стабильных сеток ЗГД, то есть происходит возврат структуры ГЗ. Дальнодействующие напряжения и кинетика возврата и являются основными характеристиками неравновесных ансамблей ЗГД, определяющими напряжение течения и кинетику пластической деформации.
Структура дислокационных ансамблей в ГЗ и их эволюция при различных условиях деформации во многом схожи. Поэтому изучение общих структурных характеристик, полей напряжений и закономерностей поведения неравновесных ансамблей ЗГД является удобным инструментом для анализа всего многообразия явлений, в которых участвуют ГЗ, в особенности, для исследования предела текучести, сверхпластичности и моделирования структуры УМЗ материалов. Такой подход позволяет рассматривать отдельные виды пластической деформации поликристаллов как частные случаи процесса эволюции дефектной структуры ГЗ.
До постановки настоящего исследования был накоплен большой экспериментальный материал о роли неравновесной структуры ГЗ в свойствах поликристаллов и проведен анализ некоторых свойств отдельных видов дислокационных структур в ГЗ. Однако последовательная теория неравновесных ансамблей дислокаций в ГЗ, учитывающая существование иерархии дислокационных описаний структуры ГЗ, все основные структурные компоненты дислокационных ансамблей в ГЗ, формирующихся при деформации, их распределение в реальных поликристаллах и достаточно полно
описывающая кинетику их релаксации и влияние на механические и физические свойства материала в широком интервале температур, отсутствовала.
Все вышесказанное определяет актуальность темы настоящей диссертации, предметом которой является разработка основ теории неравновесных дислокационных ансамблей в границах зерен.
Цель работы- общее теоретическое описание структуры и свойств дислокационных ансамблей в границах зерен деформированных поликристаллов, анализ на этой основе закономерностей начальной стадии низкотемпературной деформации поликристаллов, разработка структурной модели ультрамелкозернистых материалов, полученных пластической деформацией, и расчет стационарной скорости сверхпластической деформации, определяемой релаксацией неравновесных ансамблей
згд.
Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы и решены следующие основные задачи.
-
Подробный анализ мезоскопического (дислокационного и дасклинационного) строения межзеренных границ, разработка новой, дасклинационно-струхтурной модели ГЗ и построение иерархии дислокационных описаний структуры ГЗ.
-
Разложение дефектной структуры ГЗ, формирующейся при пластической деформации, на основные компоненты, анализ характеристик распределения неравновесных ансамблей ЗГД в поликристалле и расчет полей напряжений, упругой энергии и изменения объема материала, связанных с этими дефектами.
-
Исследование кинетики релаксации элементов дефектной структуры ГЗ и построение иерархии характерных времен релаксации неравновесных ансамблей ЗГД.
-
Изучение влияния полей внутренних напряжений, создаваемых зернограничными дислокациями, на предел текучести поликристаллов и анализ изменений параметров соотношения Холла-Петча, вызванных внутренними напряжениями различной природы.
-
Установление предельных плотностей дислокаций в границах зерен и построение модели структуры границ зерен в УМЗ материалах. Расчет основных характеристик УМЗ материалов (внутренних напряжений, избыточной энергии, избыточного объема) и теоретическое описание кинетики отжига дефектов в УМЗ материалах. Анализ соотношения Холла-Петча для УМЗ материалов.
-
Расчет стационарной плотности неравновесных ансамблей ЗГД в условиях структурной сверхпластичности, исследование механизмов и кинетики аккомодации внугризеренной деформации и зернограничного проскальзывания.
Научная новюпа. В диссертации впервые проведено комплексное исследование дислокационной структуры равновесных и неравновесных ГЗ на разных уровнях описания.
Разработана новая, дисклинационно-структурная модель ГЗ, основанная на результатах атомного моделирования и позволяющая рассчитывать энергии ГЗ с данной осью разориентировки во всем интервале углов разориентировок на основе малого количества физически обоснованных параметров- энергий предпочтительных границ.
Аналитически построена полная иерархическая система мезоскопических моделей ГЗ, описывающих их структуру с помощью линейпых дефектов- дислокаций и дисклинаций и вытекающих друг из друга.
Новым в работе является использование для исследования свойств ГЗ спектра мезоскопических моделей. Показано, что мезоскопические модели разного уровня приводят к близким результатам при расчетах избыточной энергии и кинетики релаксации неравновесных дислокационных ансамблей в ГЗ. Тем самым обоснована применимость дислокационной модели высшего уровня иерархии для исследования неравновесных ГЗ.
Впервые рассмотрены неупорядоченные ансамбли ЗГД как элемент структуры ГЗ в деформированных поликристаллах, введен структурный параметр, характеризующий степень их неравновесности - дисперсия расстояний между ЗГД, и впервые показано, что флуктуации поля напряжений от таких ансамблей ЗГД спадают с расстоянием согласно закону х"1 .
Впервые рассчитаны характеристики поля напряжений и упругая энергия для зернограничных дефектов, случайно распределенных в ансамбле ГЗ, то есть для реального деформированного поликристалла.
Предложена модель структуры ГЗ в УМЗ материалах, полученных большой пластической деформацией, и впервые рассчитаны основные макроскопические характеристики этих материалов- среднеквадратическая упругая деформация, избыточная энергия и избыточный объем. Построено количественное описание влияния полей внутренних напряжений, создаваемых границами зерен, на предел текучести и напряжение течения поликристаллов, разработаны оригинальные модели, объясняющие нарушения соотношения Холла-Петча в субмикрокристаллических и нанокристаллических материалах.
Проведено наиболее полное исследование кинетики релаксации всех основных компонент неравновесной дислокационной структуры ГЗ, построена иерархия времен зернограничного возврата в деформированных поликристаллах. С использованием полученных закономерностей возврата впервые количественно описана кинетика изменения объема УМЗ образцов в широком интервале изменения температуры отжига.
Научная и практическая ценность. Научная ценность работы заключается в том, что впервые сделана попытка общего подхода к изучению многообразных видов пластической деформации поликристаллов, основанного на представлении о неравновесных ансамблях дислокаций в границах зерен. Развитые в диссертации представления могут быть использованы в качестве физической основы для дальнейшего развития теории деформационного упрочнения поликристаллов, теории сверхпластической деформации и для количественного изучения свойств УМЗ металлов и сплавов. Полученные в работе результаты углубляют теорию дефектов в твердых телах, являющуюся ключом к пониманию всех структурно зависимых свойств материалов. Разработанная дисклинационно-структурная модель ГЗ может быть использована для наиболее точных расчетов энергии ГЗ в материалах с различной кристаллической структурой, что важно при анализе прочности поликристаллов. Аналитический алгоритм построения иерархии зернограничных дислокаций может быть полезен для анализа дислокационной структуры ГЗ при электронно-микроскопических наблюдениях.
Полученные выражения для времени размытия дифракционного контраста внесенных ЗГД и времени релаксации неравновесных ансамблей дислокаций могут быть применены для экспериментального определения диффузионных параметров ГЗ. В частности, эти результаты могут быть использованы для экспериментальной проверки гипотезы об уменьшении энергии активации зернограничной диффузии в УМЗ материалах.
Использованные в работе аналитические методы решения задач теории дислокаций и полученные результаты могут быть использованы в разделах курсов физики твердого тела и физики прочности и пластичности, посвященных теории дефектов в реальных кристаллах.
Достоверность результатов и выводов диссертации обусловлена использованием корректных математических (аналитических и численных) методов решения поставленных задач и различными проверками. Обоснованность физических моделей вытекает из их соответствия эксперименту по измерению энергии границ зерен, электронно-микроскопическим наблюдениям структуры ГЗ, измерению времен размытия внесенных дислокаций и возврата структуры ГЗ, измерению предела текучести и микротвердости обычных и УМЗ поликристаллов.
Основные положения, представленные к защите.
-
Дисклинационно-структурная модель границ зерен, построенная на основе атомистической модели структурных единиц, и аналитическое описание иерархии мезоскопического (дисклинационного и дислокационного) строения границ зерен.
-
Представление о неупорядоченных сетках зернограничных дислокаций как о важном элементе структуры границ зерен в деформированных поликристаллах, исследование их упругих полей и энергии в рамках дисклинационно-структурной и дислокационной моделей.
-
Модели случайного распределения неупорядоченных сеток внесенных зернограничных дислокаций, стыковых дисклинаций и ансамблей скользящих зернограничных дислокаций в деформированных поликристаллах и результаты исследования полей напряжений, энергии и изменения объема материала, связанных с этими дефектами.
-
Теория возврата в границах зерен, заключающаяся в описании всех стадий релаксации неравновесных ансамблей дислокаций в границах: поглощения отдельных дислокаций ("размытия" захваченных границами дислокаций), перестройки неупорядоченных сеток дислокаций в равномерные и релаксации диполей стыковых дисклинаций и ансамблей скользящих зернограничных дислокаций.
-
Структурная модель ультрамелкозернистых материалов, основанная на гипотезе о существовании в границах зерен этих материалов неравновесных ансамблей дислокаций с предельно высокими плотностями, и результаты расчета среднеквадратической упругой деформации, избыточной энергии и кинетики релаксации избыточного объема в субмикрохристаллических материалах на основе этой модели.
-
Результаты исследования влияния внутренних напряжений зернограничных дислокаций на параметры соотношения Холла-Петча и модели соотношения Холла-Петча для ультрамелкозернистых материалов, учитывающие влияние малого размера зерен, распределения размеров зерен и внутренних напряжений.
7. Результаты исследования кинетики внутризеренного дислокационного скольжения и зернограничного проскальзывания, контролируемых переползанием дислокаций в границах зерен, при сверхпластическом течении, представление о релаксации неупорядоченных сеток внесенных зернограничных дислокаций как основном механизме активизации зернограничных процессов и повышения эффективного коэффициента зериограничпой самодиффузии при высокотемпературной деформации.
Вклад соискателя. Автор сформулировал научную проблему и являлся основным исполнителем большинства опубликованных по теме диссертации статей. В работах, содержащих результаты экспериментов или компьютерного моделирования атомной структуры ГЗ, автором были проделаны аналитические расчеты с использованием континуальной теории дефектов.
Работа проводилась в рамках выполнения Государственной комплексной программы фундаментальных исследований проблем машиностроения, механики и процессов управления, разд.2.3.1; Всероссийской Государственной научно-технической программы "Новые материалы"; проекта "Физические свойства нанокристаллов" Академии наук Республики Башкортостан; Гранта №930838 "Физика границ раздела в наноструктур-ных материалах" НАТО и Гранта № RK5000, RK5300 "Границы зерен в ультрамелкозернистых материалах" Международного научного фонда и РФФИ (1994,1995), Гранта №9651Р0015-35 "Свойства и получение нанокристаллических материалов" Программы международного партнерства с Новыми независимыми государствами правительства США и Проекта развития межведомственного научно-учебного комплекса "Сверхпластичность" УГАТУ-ИПСМ РАН ФЦП "Интеграция", Per. № 2.1-80.
Апробация результатов работы.
Результаты диссертационной работы доложены на следующих конференциях и семинарах: Семинарах ИПСМ РАН, ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, Государственного университета Северной Каролины (США) и Лаборатории физики и механики материалов Политехнического института Гренобля (Франция); II Всесоюзной конференции по структуре и свойствам границ зерен (Воронеж, 1987); I Всесоюзной конференции по сильновозбужденным состояниям в кристаллах (Томск, 1988); Объединенном заседании Постоянных семинаров по дифракционным методам исследования искаженных структур, актуальным проблемам прочности и физико-технологическим проблемам поверхности металлов (Череповец, 1988); Всесоюзном семинаре по границам раздела в материалах электронной техники (Черноголовка, 1989); Конференции молодых ученых БНЦ УрО АН СССР (Уфа, 1989); ХП Всесоюзной конференции по физике прочности и пластичности металлов и сплавов (Куйбышев, 1989); Совместном советско-японском семинаре по границам зерен (Москва-Уфа-Ленинград, 1990); Международном семинаре по структуре и химии границ зерен (Бехин, Чехословакия, 1991); Европейской конференции по границам зерен и фаз и механическим свойствам (Прахатиц, Чехословакия, 1991); Европейской летней школе материаловедов (Олерон, Франция, 1992); V конференции "Сверхпластичность неорганических материалов" (Уфа, 1992); ХШ Международной конференции по физике прочности и пластичности (Куйбышев, 1992); Международной конференции "Дислокации-93" (Оссуа, Франция, 1993); III Международной конференции
по перспективным материалам Международного объединения материаловедческих обществ (Токио, Япония, 1993); X Международной конференции по прочности металлов и сплавов (Сендай, Япония, 1994); VI Международной конференции по прочности металлов и сплавов (Прага, Чехия, 1994); П Международной конференции по нанокристаллам (Штуттгарт, ФРГ, 1994); Европейской конференции по пластичности материалов (Крит, Греция, 1995); VII Международном семинаре "Структура дефектов и свойства нанокристаллов, ультрамелкозернистых и мультислойных материалов" постоянного семинара "Структура дислокаций и механические свойства металлов и сплавов" (Екатеринбург, 1996); Конференции Американского физического общества (Канзас-сити, США, 1997); Совместной конференции Электрохимического общества и Международного общества электрохимии (Париж, Франция, 1997).
Публикации. По теме диссертации опубликована 31 статья в отечественных и международных изданиях и тезисы на перечисленных выше конференциях и семинарах. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации.
