Введение к работе
Большинство используемых и прохлозируемых для испольэова-ніі;і в технике материалов являются гетерогенными состояниями, з формировании прочностных свойств которых значительную роль играют внутренние границы раздала сред или другие двумерные дефекты (границы фаз, зерен, блоков, доменов упорядочения). Границы раздела сред с разными упругими свойствами часто контролируют развитие деформационных явлений потери механической устойчивости в г.'ногсфазнкх сплавах и многообразных композитных структурах. Играющие значительную роль в разрушении и
Интенсивнее развитие теории прочности реальных твердых тел, обобщенно з в трудах Г.В.Курдшова, Я.И.Фреякеля, И.М.Лиф-іівща, Б.Я.Люоова, В.Л.Инденбома, В.И.Алышща, Л.Н.Орлова, В.И.Владимирова, В.А.Лихачова, В.В.Рыбина, А.М.Косевича, B.C. Бойко, В.И.Никитэнко, В.И.Трофилова, Ю.В.Мильмана, В.Ф.Моисеева, С.А.'Эирстова; Н.Иотча, А.Х.Котролла, К.Фридоля, А.Н.Стро, А.К.Хеда, Дж.Ирвина, А.Уегера, Днг.Зшелби, МЛ.'Эшби, Дж.Хирта, И.Лоте и других исследователей позволило.выработать модели и средства теоретического описания явлений потери З'стойчивости, основанше на знании поведения дефектной субструнтурьі кристал-
лических материалов, образованных из кристаллитов разного pas-
.мора.
: Однако, как неоднократно отмечалось (например, J.Guriand
В КЯИГЄ Vield, Plow and ?racture of Poljrcrystals, Appl.Sci.Fubl,,
1983), теория деформационных процессов с дефектной микроструктурой около внутренних грашщ неоднородных тверд!».! тел оставалась мало разработанной.
Большинство рассмотрений поведения неоднородных состояний
ограничивалось изучением дисдерсноупрочненных сплавов и волок
нистых композитов, в которых сохраняется возможность огибания
упрочняющих элементов суботруктуры дислокациями, распространяю
щимися и взаимодейотвувдими в матрице или же поликристаллов,
, упругие свойства зерен которых полататись изотропными. Олисанио
свойств гетерофазних сред проводились на основе феноменологи
ческих правій "смесей", недавние модификации которых (T.c.iadmtm,
I.Mc.Ivor, F.В.Pickering ) учитывают зависимости прочност-
ных характеристик составллкщих кристаллитов от их протяженности, хотя коэффициенты в соответствующих зависимостях определяются через параметры поликристаллов, либо вводятся феноменологически. Вместе с тем, продвинутое теоретическое исследование упругие полги дислокаций и простейших составляемых ими ансамблей (А.К.Хед, Дк.Дундурс, T.Wypa, Д.М.Еарнетт, И.Лоте; А.М.Косевич, Л.И.Пастур, Э.П.Фельдман, В.Л.Индексом, В.И.Владимиров, А.Е. Романов) свидетельствует о необходимости учета в подобнцх рассмотрениях влияния эффектов -"изображения", усиливающегося при протекании коллективных процессов. Анализ явлений интеркристал-литного охрупчивания (Г.З.Курдшов, Л.М.Утевский, В.И.Саррак, В.И.Трефилов, Е.Э.Гликман, М.А.Штремель, Б.Д.Хондрос, М.П.Сиа и другие) свидетельствует также о важности учета влияния неоднородности у границ раздела короткодействующих сил сцепления материала. При учета данного обстоятельства ограничивались, однако, заменой в критериях развития трещин макроскопической поверхностной энергии материала анергией раскрытия трещины вдоль иежкриоталлитной границы и не принимали во внимание иние факторы неоднородности. Было показано, что во многих случаях потеря механической устойчивости осуществляется путем развития системы, взапмопороадающих' сосредоточенных сдвигов (полоо сколь-
жения, двойников, ламалей картенситной фазы, трещин). Большую роль в теории подобных критических явлений сыграли метода, раз-' витые в работах И.М.ли$шица. ВД.Инденбома, А.М.Косевича, B.C. Бойко, В.Я.Владимирова, Ш.Х.Ханяанова, Г.Лейбфрида, Дн.Эшелби, Ф.Франка, Ф.Р.Набарро, А.К.Хеда, Е.Смита. Вместе о тем, практически отсутствовал анализ п<зг,одвюкг сдвиговых дефектов в неоднородных средах. Имелись лишь рассмотрения дислокационных скоплений Перпендикулярных Границам сред С раЗНЫМЙ МОДУЛЯМИ (Н.Агта-
trong, А.к.Неаа, r.chovi , Т.Мига), симметричных трещин в
ПОЛв СТОРОННИХ ДИСЛока'^ИІІ (С. Atlcinaon.D.И.Harriett, I.Lothe ), а также трещин и двойников в присутствии сил сцепления берегов у концов дефектов (s.R.Irwin, Г.П.Баре.чблатт, Г.МЛерепанов, B.C. Бойко, А.М.Косевич).
Специфичного описания, приобретшего актуальность в связи с развитием методов обработки метаотабильнык сплавов диналпетески- . ми нагрузками, требуют деформационные явления в ходе маргенсит-шх превращений. Имеврттеся теоретические рассмотрения (в.А.ВіїЬу, J.Eaheiby , Б.Я.ЛюОов, А.Л.Ройгбурд.'Р.З.Ои'вп ) ограничивались изучением выгодкосги формирования пластинчатых или эллипсоидальных кристаллов или периодических структур из них в поле однородных напряжений,отсутствовал анализ автокаталического развития систем маргенситных кристаллов с учетом неоднородности полей внутренних напряжений и множестванкосчи вторичных сдвиговых процессов в местах остановки кристаллов препятствиями. Отоутст-Еовал такке анализ формирования зародышей мартенсита дефектами упаковки возрастающей кратности с учетом специфики взаимодействия ограяичиваящжх юс дислокации, хотя данные процессы, как показано в работах J.A.VenaMes t Л.И.Лысака, Л.Д.Вишнякова, Ю.Н.Петрова,м.A.Meyers,L.E.Murr , играют важную соль в процессах заровдояия мартенсита, ассисгируемого деформь'ыей.
С учетом указанных обстоятельств автором с нашла 70-х годов проводилось исследование, офоршенюе э дашгую лиосертацию, общую цель которого можно определить следу&шм образом: разработка теории критических деформационных процо'ссов о м,<кродефокт-ной субструктуроя около внутренних ^ранщ раздела неоднородных кристаллических сред, олредоляетих условия и характер протека- )шя яплеїзій потери, механической устойчивости материалов с раз-
витой внутренней поверхностью.
Основными группами рассмотренных задач были: * I. Олисрчиз особенностей взаимодействия и трансформационных перестроек, осуществляемых даслокадиями около внутренних поверхностей в неоднородных средах с учетом конечности ядер дислокаций и возможности флуктуащюняого образования перевальных конфигураций из перегибов на них в неоднородном рельефе решетки.
2. Развитие методов континуальной теории сосредоточенных
сдвиговых явлений в неоднородных средах. Изучение взаимопрев
ращений сдвиговых дефектов, а также автокаталитическогс разви
тия систем подобных дефектов в условиях действия неоднородных
;напряжений, прохождения мартенситных превращений, развития трещин в поле сжкмащих нагрузок.
3, Исследование динамики дислокационных процессов, пред
шествующих протеканию критических событий^перестройки микро
структуры в "условиях действия динамических нагрузок.
Тематика настоящей диссертации соответствует Координационному плану научно-исследовательских работ (направление 1.3 'Физика твердого тела, разде-ы 1.3,2.3 - "Исследование механизмов деформации и разрушения твердых тел", 1.3.2.6 - "Исследование фазовых превращений и их влияния на механичеокие и другие свойства твердых тел", 1.3.2.10 - "Математическое моделирование дефектной структуры и механических свойств твердых тел").
Исследования выполнялись в рамках тематического плана ВДИИЧМ им.И.П.Бардина, который находится в числе исполнителей указанных разделов Координационного плана.
Научная нотазна работы:
- Выявлены факторы, определяющие особенности взаимодействия дислокаций (с учетом конечных размеров их ядер) около границ сред о разными модулями, энергию мяогодолиннцх перевальных конфигураций из перегибов на дислокациях, флуктуацконное образование которых требуется для прохождения важнейших приграничных критических дислокационных процессов. Найдены критерии: снятия раскэпленвд дислокаций у границ неоднородности, односдви-гевого и двухедвигового зарождения мартенситгак фаз по мехаїшз-
му наолаивания дефектов упаковки, объединения дислокаций около границ сред в микрогрещины.
Установлен характер распределения дислокационной плотности и упругие поля около плоских сосредоточенных сдвиговых дефектов (дислокационных скоплений, двойников, ламелей мартенсита, трещал), находящихся во внешних полях, описываемых дробно-рациональными функциями координат. Сформулирован принцип суперпозиции и найдены функции Грина для сред с дефектами типа скоплений дислокаций общего вида. Определены равновесные и критические размеры сосредоточенных сдвиговых дефектов в присутствии пластических зон около их концов.
Выявлен характер распределения дислокационной плотности и напряжений около сосредоточенных сдвигов, распространяющихся вдоль границ сред с разными модулями и отличающимися параметрами решеток,
Разработано континуадьно-даслокациокное описание развития маргеяситных кристаллов, лозволяидее учитывать неоднородные напряжения в среде, влияние искажений дисклинационного типа в местах сопряжения кристаллов мартенсита.
Определены зависимости напряжений раскрытия трещин сосредоточенными сдвигами в неоднородных средах от параметров, характеризующих степеы> неоднородности, - различия упругих модулей сред и сил сцепления у границ раздела. Полученные критерии обобщают критерии Зинэра-Стро-Владимирова-Орлова на случай зарождения трещин у границ, разделяющих среды с разными модулями и характеризуемых силами адгезии отличными от сил когезии кристаллов. Определены зависимости коэффициентов интенсивности напряжений трещин от плотности распределения дислокаций в их пластических зонах. Разработана асимметричная сверхдкслок*. лижная модель пластической зоны трещин.
Установлены зависимости (Р~ , Р~ , Р~ ), определяющие уменьшение раскрытия, протяженности микротрещин и изменения плотности материала при их деформационном образовании под давлением (?) превышающем некоторое пороговое. Создана количественная теория явлений отслаивания -и расслаивания поблойно-нз-однородных сред, подвергаемых действию скимащих нагрузок, про-' дольных их поверхности.
- Проанализированы условия протекания под действием динамических нагрузок мшфоструктурных процессов, подготавливающих развитие критических событий: распространения дефектов упаковки, образования оистемы призматических дислокационных диполей и динамических источников дислокаций, подхода дислокационных ансамблей к препятствиям; описано их влияние на развитие критических явлений,
Совокупдость разработанных методов и талученных результатов формирует основу нового научного направлеіия: разработка теории критических шкроструктуряых деформационных процессов потери устойчивости в неоднородных материалах с развитой межфазной поверхностью.
Практическое значение работы. Установлены критерии потери устойчивости, позволяющий проводить сравнительный анализ механических свойств гетерогенних материалов и предсказывать зависимость этих свойств от параметров неоднородности. Результаты имеют непосредственное прикладное значение для управления структурой и прочностью сплавов к иных неоднородных сред. Применение развитых автором представлений позволяло решить ряд практических задач в области термомеханической обработки с использованием высоких гидростатических и динамических нагрузок, а такте технологии производства пленочных систем, аморфных и микрокристаллических сплавов.
Основные положения, выкооиже на защиту:
-
Представления о флуктуациокно-актиЕяруемых многодолинных пайерлсовских дислокационных процессах, как процессах, определяющие условия инициирования критических деформационных соби-тий г неоднородных материалах с развитой внутренней поверхностью. Критерии объединения дислокаций в микротрощину седло границы кристаллов с разными упругими модулями, различных вариантов образования зародышей маргенситной фазы путем наслаивания дефектов раковки.
-
Соотношения, определяющие распределение дислокационной плотности, поля напряжения и смещении около сдвиговых дефектов типа дислокационных скоплений, находящихся в поле нееднородних сторонних напряженки, описываемых рациональными функциями координат. Принцип суперпозиции, согласно которому характернотики
сдвиговых дефектов в сложных полях определяются наложением характеристик дефектов, находящихся в поле отдельных сингулярных напряжений. Вираження для двухш; лых функций Грина упруго-анизотропных сред о плоскими сдвиговыми дефектами. Соотношения., определящно равновесные ы критические размера сдвиговых дефектов в присутствии пластических зон около их концов. Выражения, описывающие распределена дислокационной плотности и упругие поля около сосредоточенных сдвигов, распространящихся вдоль . границ сред с разными упругими модулями и отличающимися пара-мэтрами решеток.
-
Континуально-дислокациоішое описание деформационных явлений в ходе мартенситннх превращений, позволякщео учитывать наличие неоднородных напряпегай, искажений дискллнациопиого типа вдоль границ сопряжения кристаллов. Анализ вероятностей возбуждения втор,.кых сдвигов в местах остановки мартенситннх кристаллов препятствиями.
-
Критерій зароздекия трещин межкристаллитннми сдвигами. Соотношения, связывающие коэффициенты интенсивности напряжений с характеристиками дислокаций и плотностями распределения последних в пластических зонах. Сверхдислокаштоннуа модель для описания взаимопревращения сдвиговых дефектов. -Законы (F" , F"*) убивания раскрытия и протяженности трезщн, образуемых сдвигами под давлением ?, большим критического Рх—'у. Критерий адгезионной потери устойчивости продольно сжатых слоисто-неоднород-
. них тел.
5. Расчетные модели и-условия действия механизмов развития
дефектной субструктура в сплавах с различной величиной энергия
дефектов упаковки, подвергаемых действию динамичесзсих нагрузок.
Анализ ди/амики дислокационных ансамблей с помощью распростра
нения на случай скоплений дислокаций, движущихся с вязким тре
нием и ооладакщих инерцией, метода Эшолби-^р'анка-Набарро.
6. Матричный метод перехода я изотропии в двумерной шшзо-
. ' тропкой теории дислокаций однородных и кусочно неоднородных
сред.
Апробация работы и публикации , '
Результаты диссертация докладывались на: У Всесоюзной конференции по механизмам релаксационных явле. J в твердых телах.
(Москва, 1969); II Всесоюзном совещании по динамике дислокаций .(Харьков, 1973); Международной конференции по мартенситным превращениям ICQMAT-77 (Киев, 1977); У и ЛІ Всесоюзних совещаниях по кинетике и механизму химических реакций в твердом теле (Черноголовка, 1973, 1978); Г Международной конференции по физике и технике высоких давлений (Москва, 1975); ІУ Всесоюзной конференции "Физика разрушения" (Киев, 1980); X и ХЛ Всесоюзних конференциях по физика прочности и пластичности металлов и сплавов (Куйбышев, 1983, 1989); П Всесоюзной конференции по электронной микроскопии (Таллин, 1979); ІУ и УІ Всесоюзных совещаниях по-взаимодействию дефектов и их влиянию на свойства сплавов (Тула, 1979, 1983); ІУ Всесоюзном симпозиуме по импульсным і давлениям (Менделееве, 1983); на симпозиуме постоянною семинара "Оизико-гехнологичеокие проблемы поверхности металлов" (Ленинград, 1S84).
По материалам диссертации опубликованы 38 печатных работ, перечень которых приведен в конце реферата. В 15 из них автор -единственный участник, в других теоретический анализ проводился под его руководством при опредалящем личном его участии в конкретних расчетах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов и приложений (куда вынесен ряд вопросов вспомогательно-расчетного характера). В целом она содержит 290 страниц: 226 страниц основного текста, список литературы (310 наименований, -28 страниц), иллюстрации (49 графиков и рисунков, 20 страниц), приложения (15 страниц).