Влияние температуры на теоретическую прочность алюминия, меди, кремния на сдвиг и графена при растяжении Искандаров, Альберт Маратович

Введение к работе

Актуальность работы. Теоретическую прочность можно определить как верхний предел прочности, который может быть достигнут для рассматриваемого твердого тела. Как правило, материалы начинают пластически деформироваться или разрушаться, когда внутренние напряжения не достигают и сотой части от теоретической прочности. Это происходит из-за наличия дефектов кристаллической структуры таких, как дислокации, границы зерен и др. Однако эксперименты по растяжению нитевидных кристаллов, наноиндентированию, сжатию наностолбиков, изгибу нанопроволок и др. показали, что прочность материалов, тестируемая в малых объемах, может приближаться к теоретической. В случае наноиндентирования, максимальные касательные напряжения возникают не на контактной поверхности, а в малом объеме вещества на некоторой глубине под индентором, где дефекты присутствуют в очень малом количестве или полностью отсутствуют, что приводит к гомогенному зарождению дислокаций при значениях напряжений, близких к теоретическому пределу прочности. При сжатии столбиков диаметра порядка сотен нанометров, благодаря малой исходной плотности дислокаций и их быстрому выходу на поверхность, наблюдается «дислокационное голодание», что также приводит к повышению прочности с уменьшением диаметра столбиков и к приближению её к теоретическому пределу. Работа источников дислокаций, например, таких как источник Франка-Рида, в малых объемах затруднена, и дислокации зарождаются на поверхности, что происходит при значительно более высоких напряжениях.

Модель Я.И. Френкеля, предложенная в 1926 году, дает оценку теоретической прочности кристаллов при сдвиговой деформации [1]. В рамках модели рассматривается сдвиг одного атомного слоя относительно другого как целого, при этом максимальное (критическое) сдвиговое напряжение оценивается как т_с = G/2^, где G - модуль сдвига. На сегодняшний день одним из наиболее используемых методов изучения теоретической прочности является моделирование на основе первопринципных расчетов. Такие расчеты показали, что теоретическая прочность на сдвиг в направлениях легкого скольжения многих металлов и керамик составляет величину порядка нескольких ГПа [2]. Теоретическая прочность подвержена влиянию многих факторов, которые необходимо принимать во внимание в реальных условиях. Так, при наноиндентировании, область под индентором подвержена сильному сжатию, что приводит к необходимости учета влияния сжимающих компонент напряжений на теоретическую прочность при сдвиге. Например, было показано, что в алюминии сжимающее гидростатическое напряжение величиной 10 ГПа увеличивает теоретическую прочность на сдвиг более чем на 1 ГПа [3], однако для углерода наблюдается понижение теоретической прочности на сдвиг под действием сжимающих напряжений [4]. Наличие свободной поверхности, даже атомарно гладкой, может понизить прочность кристаллов, свободных от дефектов другого типа. Температура также является очень важным фактором при изучении теоретической прочности материалов. Естественно ожидать понижения теоретической прочности материалов с ростом температуры за счет термоактивированной потери устойчивости кристаллической решетки. Однако до сих пор систематического исследования влияния температуры на теоретическую прочность материалов сделано не было. Особенно актуальной данная проблема является для наноразмерных изделий, которые нередко демонстрируют прочность, близкую к теоретической.

Целью диссертационной работы является определение теоретической прочности ряда материалов в широком интервале температур и выяснение механизмов термоактивированной потери механической устойчивости кристаллических решеток под напряжением при помощи методов компьютерного моделирования.

Для достижения данной цели были решены следующие задачи:

1. Разработка методики молекулярно-динамического моделирования для определения теоретической прочности материалов в широком диапазоне температур.

2. Определение влияния температуры на теоретическую прочность ГЦК металлов при деформации сдвига.

3. Исследование влияния температуры на теоретическую прочность на сдвиг кремния.

4. Определение влияния температуры на характеристики процесса потери устойчивости графена под действием растягивающих напряжений.

Научная новизна

4. 1. На примере нескольких кристаллических материалов (алюминий, медь, кремний) проведен расчет теоретической прочности на сдвиг в широком диапазоне изменения температуры, и показано, что теоретическая прочность линейно убывает с температурой.

   2. Впервые изучена температурная зависимость безразмерного параметра Gj_c/t_c, связывающего теоретическую прочность т_с с критической деформацией 7с, соответствующей потере механической устойчивости кристалла и входящей в обобщенную модель Френкеля [2]. Обнаружено, что в широком интервале температур этот параметр остается практически постоянным и равным ^/2, тогда как параметр G/t_c, входящий в исходную модель Френкеля и по порядку величины равный 2^, существенно зависит от температуры.

   3. Установлено, что среднее время до разрушения однородно деформированного растяжением графена экспоненциально растет с обратной температурой и убывает обратно пропорционально площади листа графена. Полученные результаты позволили оценить феноменологические параметры указанной зависимости и осуществить прогноз времени до разрушения листа графена макроскопического размера.

   На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

   4. 3. 1. Методика и параметры моделирования, включая выбор эмпирических межатомных потенциалов, для определения влияния температуры на теоретическую прочность алюминия, меди, кремния и графена посредством молекулярно-динамических расчетов.

         2. Результаты расчетов, демонстрирующие линейное убывание теоретической прочности на сдвиг ГЦК металлов и кремния с температурой и показывающие, что при комнатной температуре теоретическая прочность алюминия, меди и кремния на 15-25% ниже, чем при абсолютном нуле температуры.

         3. Утверждение о приблизительном постоянстве и равенстве ^/2 входящего в обобщенную модель Френкеля параметра Gj_c/т_с для меди, алюминия и кремния в широком интервале температур.

         4. Аррениусовская зависимость от температуры среднего времени до разрушения графена под действием растягивающих напряжений и результаты расчета зависимости энергии активации разрушения от степени деформации. Результаты оценки, показывающие, что при комнатной температуре лист графена с размерами около 1 мм может просуществовать без разрыва порядка одного года при степени растяжения не более 8-13% в зависимости от направления растяжения.

         Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях и научных семинарах: 1UICM РАН; Токийский государственный университет; International Symposium on Bulk Nanostructured Materials: Prom Fundamentals to Innovations (Уфа, 2007); Открытая школа-конференция стран СНГ «Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы (УМЗНМ) - 2008» (Уфа, 2008); 2nd International Symposium on Bulk Nanostructured Materials: Prom Fundamentals to Innovations (Уфа, 2009); Открытая школа-конференция стран СНГ «Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы (УМЗНМ) - 2010» (Уфа, 2010); 3rd International Symposium «Bulk Nanostructured Materials» (Уфа, 2011); International Symposium on Atomistic Modeling for Mechanics and Multiphysics of Materials (Токио, 2011); LII Международная конференция «Актуальные проблемы прочности» (Уфа, 2012).

         Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 8 печатных работах, из них 5 статей в рецензируемых журналах, 1 статья в сборнике трудов конференции и 2 тезиса докладов.

         Личный вклад автора. Соискателем лично получены все представленные в диссертации результаты численных расчетов, определяющим было участие соискателя в обсуждении постановочных задач и полученных результатов, а также в подготовке публикаций и выступлений на научных форумах.

         заключения, библиографии и одного приложения. Общий объем диссертации 138 страниц, из них 109 страниц текста, включая 57 рисунков. Библиография включает 123 наименования на 14 страницах.

         Похожие диссертации на Влияние температуры на теоретическую прочность алюминия, меди, кремния на сдвиг и графена при растяжении

         

         Изучение методом ОЖЕ-спектроскопии влияния облучения и температуры растяжения на элементный состав поверхностей разрушения сталей Ильин Аркадий Михайлович

         Влияние размера зерен мезоуровня, температуры испытания и концентрации легирующего элемента на закономерности эволюции дислокационной структуры при деформации поликристаллов ГЦК твердых растворов Cu-Al и Cu-MnТришкина, Людмила Ильинична

         

         Влияние температуры и точечных дефектов на поверхностно-ионизационные свойства оксидов переходных металловСолнцев, Сергей Александрович

         

         Влияние температуры на концентрацию триплетных молекул в твердых растворах при сенсибилизированном возбужденииКуликова Ольга Игоревна

         

         Влияние температуры на физико-химические свойства и закономерности разложения нитевидных кристаллов b-азида свинца Чмелева Ксения Владимировна

         

         Влияние температуры и давления на туннельные твердофазные химические реакции. Система флуорен-акридинФокеев Анатолий Александрович

         

         Влияние температуры и адсорбции компонентов на поверхностные свойства простых металлов и их бинарных системКалажоков Хамидби Хажисмелович

         

         Модификация зонного спектра ВТСП-соединений под действием легирования и влияние его параметров на значение критической температурыМартынова Ольга Александровна

         Влияние поликристаллических н-парафиновых матриц и температуры на аннигиляцию триплетных возбуждений ароматических соединенийЖданова, Наталья Владимировна

         

         Влияние легирования на параметры энергетического спектра и критическую температуру в ВТСП различных системКомарова Ольга Сергеевна