Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы 15
1.1. Ультрамелкозернистые материалы: методы получения, структура, механические свойства 15
1.1.1. Методы получения ультрамелкозернистых и наност-руктурных материалов 15
1.1.2. Параметры структуры ультрамелкозернистых материалов, полученных методами интенсивной пластической деформации 20
1.1.3. Механическое поведение ультрамелкозернистых материалов, полученных методами интенсивной пластической деформации 23
1.2. Влияние ультразвуковых колебаний на дефектную структуру металлов 26
1.2.1. Изменение дислокационной структуры металлов при знакопеременном нагружении 26
1.2.2. Изменение механических свойств металлов под действием ультразвука 34
1.2.3. Акустопластический эффект 38
1.3. Выводы по обзору литературы и формулировка цели и задач работы 42
ГЛАВА 2. Молекулярно-динамическое исследование изменения структуры модельного двумерного нанокристалла при воздействии отжига и ультразвука 44
2.1. Метод молекулярной динамики. Описание модели 44
2.2. Результаты компьютерного моделирования 48
2.2.1. Сравнение влияния отжига и ультразвука на деформированную структуру 48
2.2.2. Влияние амплитуды ультразвукового воздействия на эффект релаксации структуры 51
2.3. Выводы по второй главе 53
ГЛАВА 3. Моделирование динамики бесконечной стенки краевых дислокаций и фрагментов этой стенки в поле бегущей ультразвуковой волны методом дискретной дислокационной динамики 54
3.1. Модель структуры ультрамелкозернистых и наноструктурных материалов и их релаксации под действием ультразвука 54
3.2. Метод дискретной дислокационной динамики. Описание модели 56
3.3. Результаты моделирования для фрагментов дислокационных стенок, включающих N дислокаций 63
3.4. Результаты моделирования для бесконечной стенки 65
3.5. Выводы по третьей главе 66
ГЛАВА 4. Исследование влияния ультразвуковой обработки на структуру и свойства никеля, полученного кручением под квазигидростатическим давлением 68
4.1. Материал и методика эксперимента 68
4.2. Результаты эксперимента 69
4.3. Выводы по четвертой главе 80
ГЛАВА 5. Изменение структуры и механических свойств никеля, полученного равноканальным угловым прессованием, при ультразвуковом воздействии 82
5.1. Материал и методика эксперимента 82
5.2. Исследование микроструктуры и механических свойств никеля после ультразвуковой обработки с амплитудами 20, 30 и 40 МПа 85
5.3. Зависимость механических свойств ультрамелкозернистого никеля от амплитуды ультразвука 88
5.4. Влияние ультразвуковой обработки на ударную вязкость ультрамелкозернистого никеля 92
5.5. Выводы по пятой главе 93
Выводы 94
Литература 96
- Параметры структуры ультрамелкозернистых материалов, полученных методами интенсивной пластической деформации
- Сравнение влияния отжига и ультразвука на деформированную структуру
- Результаты моделирования для фрагментов дислокационных стенок, включающих N дислокаций
- Исследование микроструктуры и механических свойств никеля после ультразвуковой обработки с амплитудами 20, 30 и 40 МПа
Введение к работе
Актуальность работы. В последние два десятилетия широкое применение в области технологии получения и обработки перспективных материалов находят методы интенсивной пластической деформации (ИПД), с помощью которых в материале достигается малый размер зерен [1-3]. Ультрамелкозернистые (УМЗ) и нанокристаллические (НК) материалы, полученные методами ИПД, обладают уникальными функциональными и механическими свойствами, такими как высокая прочность, износостойкость, твердость, высокие усталостные свойства и др. Однако для таких материалов характерны значительные искажения кристаллической решетки, источниками которых являются неравновесные границы зерен и повышенная плотность дефектов внутри зерен [3,4]. Высокие внутренние напряжения, создаваемые ими, приводят к тому, что такие материалы, как правило, обладают низкой пластичностью, термической стабильностью, а также проявляют низкую эффективность при ударных нагрузках, то есть обладают низкими значениями ударной вязкости [5] по сравнению с крупнозернистым состоянием.
Для возврата неравновесной структуры УМЗ и НК материалов, полученных методами ИПД, обычно используют отжиги, однако этот способ не всегда может обеспечить необходимое улучшение механических свойств. При наличии высоких внутренних напряжений в таких материалах рост зерен начинается при более низких температурах, что снижает эффект упрочнения [6-8]. Поэтому актуальной задачей является поиск иных способов физического воздействия на материалы с целью получения в них высокого комплекса механических свойств.
Одним из перспективных методов улучшения свойств УМЗ и НК материалов может являться ультразвуковая обработка (УЗО). Ультразвуковая волна, проходя через материал, взаимодействует с дефектами разного типа: вакансиями, дислокациями, границами зерен и субзерен, примесями и вызывает изменения в структуре. Эти изменения зависят от параметров ультразвука, главным образом, от его мощности. При УЗО имеют значение также размеры и форма обрабатываемого образца и способ обработки, в зависимости от которых волна, создаваемая в образце, может быть стоячей или бегущей, или может иметь место локализация воздействия на поверхности [9]. Варьируя все эти параметры, можно получать в материале ту или иную желаемую структуру, и как следствие, желаемые свойства. При большом количестве имеющихся исследований до сих пор не существует полного понимания зависимости между параметрами ультразвука и получаемыми эффектами, а данные по воздействию ультразвука на неравновесную структуру УМЗ и НК материалов практически отсутствуют.
Таким образом, изучение физических основ взаимодействия звуковых волн с неравновесной структурой УМЗ и НК металлических материалов с целью более полного раскрытия потенциала УЗО для улучшения их структуры и свойств является актуальной и важной для практики задачей.
Работа была выполнена в соответствии с Планом НИР Института проблем сверхпластичности металлов РАН по теме «Исследование физических свойств объемных ультрамелкозернистых и наноструктурных материалов» (номер государственной регистрации 01201153088), Программой фундаментальных исследований ОЭММПУ РАН 16ОЭ «Фундаментальные основы изменения структуры и физических свойств веществ под влиянием интенсивных воздействий, в том числе, с помощью волн и вибраций», проектами РФФИ № 12-02-90034-Бел_а «Исследование воздействия ультразвуковой ковки на микроструктуру металлов: возможность получения ультрамелкозернистых и наноструктурных материалов», № 11-08-97057-р_поволжье_а «Модификация физических свойств наноматериалов путем значительной упругой деформации» и грантом для поддержки молодых ученых Академии наук Республики Башкортостан по теме «Влияние ультразвуковых колебаний на дефектную структуру и свойства наноструктур-ных материалов».
Цель работы: с использованием методов численного моделирования и экспериментальных исследований выяснить возможность изменения микроструктуры, повышения термической стабильности и механических характеристик УМЗ никеля, полученного методами ИПД, путем ультразвуковой обработки.
Для достижения поставленной цели в ходе работы решались следующие задачи:
1. Изучение методом молекулярной динамики эволюции микро
структуры сильно деформированных наноматериалов при воздействии
внешних периодических напряжений в рамках двумерной модели поли
кристалла.
-
Изучение поведения дислокационных кластеров в поле бегущей ультразвуковой волны методом дискретной дислокационной динамики.
-
Исследование влияния УЗО с различной амплитудой напряжения на микроструктуру и микротвердость УМЗ материалов, подвергнутых ИПД методом кручения, на примере чистого никеля.
4. Исследование изменений микроструктуры и механических
свойств объемного УМЗ никеля, полученного методом равноканального
углового прессования (РКУП), при последующей УЗО с различными ам
плитудами напряжения.
5. Анализ и обобщение полученных теоретических и эксперимен
тальных результатов с целью установления перспектив развития метода
УЗО для модификации и улучшения свойств УМЗ материалов, полученных ИПД.
Научная новизна:
1. Методом молекулярной динамики показано, что ультразвуковое
воздействие определенной амплитуды приводит к релаксации структуры
деформированного НК материала без заметного роста зерен. Эффект ре
лаксации структуры наблюдается и при отжиге, который, однако, сопрово
ждается неконтролируемым ростом зерен, приводящим к снижению проч
ности УМЗ и НК материалов.
2. Методом дискретной дислокационной динамики теоретически об
наружен эффект дрейфа дислокационных кластеров под воздействием бе
гущей ультразвуковой волны; показано, что при приближении частоты
волны к собственной частоте колебаний дислокационного кластера проис
ходит увеличение его дрейфовой скорости на два-три порядка.
3. Установлено, что при воздействии ультразвуком в УМЗ никеле
происходит релаксация внутренних напряжений и стабилизация структуры,
и, как следствие, происходит заметное повышение термической стабильно
сти материала.
4. Показано, что в определенном интервале амплитуд ультразвуково
го воздействия на объемные образцы никеля, полученные методом РКУП,
происходит одновременное повышение их пластичности, пределов текуче
сти и прочности. При дальнейшем повышении амплитуды происходит ос
лабевание и исчезновение данного эффекта.
5. Показано, что УЗО с амплитудами, приводящими к эффекту
структурной релаксации, способствует значительному повышению ударной
вязкости при комнатной температуре.
Научная и практическая ценность:
1. Научная ценность работы заключается в том, что обнаруженные в
ней эффекты могут составить фундаментальную основу контролируемого
ультразвукового воздействия на структуру УМЗ и нанокристаллических
материалов с целью релаксации их структуры и повышения комплекса ме
ханических свойств.
2. Практическая значимость результатов заключается в том, что
ультразвуковая обработка с оптимальными амплитудами, существование
которых показано в работе, может являться эффективной альтернативой
или дополнением к таким видам обработки материалов, как отжиг, и рас
ширяет возможности модификации структуры и свойств УМЗ материалов.
Достоверность результатов численных исследований обеспечена применением известных и апробированных методик (методов молекулярной динамики и дискретной дислокационной динамики) и их физической непротиворечивостью. Достоверность результатов экспериментальных исследований обусловлена использованием современных методов структур-
ного анализа (просвечивающей электронной микроскопии, рентгенострук-турного анализа), апробированными методами определения механических свойств, воспроизводимостью результатов эксперимента, сравнением с литературными данными.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Результаты атомистического моделирования, предсказывающие эффекты, связанные с воздействием ультразвуковых напряжений на структуру сильнодеформированных нанокристаллов: повышение доли больше-угловых границ зерен, концентрации вакансий, отсутствие роста зерен и зависимость эффекта релаксации от амплитуды ультразвука.
-
Эффект дрейфового движения дислокационных кластеров при воздействии бегущей ультразвуковой волны и резонансного повышения скорости дрейфа при приближении частоты ультразвука к собственным частотам колебаний кластеров и к малым частотам.
3. Эффекты релаксации внутренних напряжений, повышения терми
ческой стабильности, повышения пластичности, предела текучести и пре
дела прочности, а также ударной вязкости УМЗ никеля, полученного ИПД,
под действием УЗО, которые наблюдаются в определенном интервале ам
плитуд.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих научных форумах: «Международный форум по нанотехнологи-ям», 3-5 декабря 2008, г. Москва; Пятнадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых, 25 марта-2 апреля 2009, гг. Кемерово, Томск; Межрегиональная научная конференция «Актуальные проблемы естественных и технических наук», 6-7 июля 2009, г. Уфа; Международная школа-конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых «Фундаментальная математика и ее приложения в естествознании», 1-6 октября 2009, г. Уфа; Третья международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», 12-15 октября 2009, г. Москва; XIX Петербургские чтения по проблемам прочности, 13-15 апреля 2010, г. Санкт-Петербург; Международная школа-конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых «Фундаментальная математика и ее приложения в естествознании», 3-7 октября 2010, г. Уфа; XI международный семинар «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах», 6-10 сентября, г. Барнаул; Открытая школа-конференция стран СНГ «УМЗНМ-2010», 11-15 октября, г. Уфа; II-я Всероссийская молодежная школа-конференция «Современные проблемы металловедения», 16-20 мая 2011, г. Пицунда, Абхазия, Открытая школа-конференция стран СНГ «УМЗНМ-2012», 8-12 октября, г. Уфа.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 16 научно-технических публикациях, включая 9 статей в изданиях из перечня рецензируемых журналов, рекомендованных ВАК.
Личный вклад автора заключается в проведении численных расчетов, подготовке образцов, проведении микроструктурных исследований и механических испытаний, измерении микротвердости, в обработке результатов измерений, в обсуждении результатов и планировании эксперимента, а также в написании тезисов докладов и статей. В работе также использованы результаты, полученные совместно с сотрудниками ИПСМ РАН Поповым В.А. и Даниленко В.Н. (рентгеновские исследования). Ультразвуковая обработка всех образцов, приготовленных автором, осуществлялась в Институте технической акустики НАН Республики Беларусь Царенко Ю.В. и Рубаником В.В. по схемам и режимам, разработанным при участии автора. Задачи экспериментальных исследований по диссертационной работе сформулированы научным руководителем Мулюковым Р.Р. Компьютерное моделирование проводилось под руководством научных консультантов Дмитриева С.В. и Назарова А.А. Обсуждение и интерпретация всех результатов проводились совместно с научным руководителем и соавторами публикаций при непосредственном участии соискателя. Основные положения и выводы диссертационной работы сформулированы автором.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 102 наименований. Работа изложена на 107 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунков и 3 таблицы.
Параметры структуры ультрамелкозернистых материалов, полученных методами интенсивной пластической деформации
В данном разделе будут рассмотрены примеры и общие характеристики дефектной структуры УМЗ материалов на примере чистых металлов, подвергнутых различным деформационным обработкам.
Главной особенностью УМЗ материалов, полученных ИПД, является необычный вид границ зерен, наблюдаемый на электронно-микроскопических снимках, по сравнению с отожженными материалами [22, 23]. На рис. 1.3а показана микроструктура сплава Al-4%Cu-0,5%Zr, полученного КГД. Для сравнения на рис. 1.3б приведена структура того же сплава после дополнительного низкотемпературного отжига. Видно, что в деформированном состоянии наблюдается особый диффузный контраст на границах зерен, тол-щинные контуры экстинкции вблизи границ зерен имеют значительную ширину. Такая микроструктура является типичной для УМЗ металлов, полученных методами ИПД. Физическая природа уширения контуров экстинкции проанализирована в работах [24, 25]. Показано, что это уширение связано с высоким уровнем внутренних напряжений и искажений кристаллической решетки вблизи границ зерен в образцах, подвергнутых ИПД. Также было установлено, что распределение упругих деформаций по внутреннему сечению зерна является неоднородным и имеет максимум в приграничной области. На расстоянии около 10 нм от границы происходит экспоненциальный спад величины этих деформаций. То есть, уровень упругих деформаций вблизи границы значительно выше, чем в теле зерна [25].
Пример микроструктуры, полученной ИПД методом РКУП, представлен на рис. 1.4 [26]. Здесь также наблюдается неоднородная структура, в которой границы зерен четко не определяются и имеют расплывчатое строение. Внутренние объемы зерен имеют высокую плотность дислокаций. В целом структура является сильно неравновесной, для нее характерен высокий уровень внутренних напряжений, вызванный особым состоянием границ зерен.
Микроструктура сплава Al-4% Cu-0,5% Zr а) после КГД; б) после дополнительного отжига при 160С в течение 1 ч [22] Рисунок 1.4 – Микроструктура УМЗ никеля, полученного РКУП [26]
Исследования с помощью высокоразрешающей электронной микроскопии дали прямое подтверждение наличия искажений кристаллической решетки вблизи границ зерен для разных материалов, подвергнутых ИПД [27-29]. В таких материалах границы зерен являются несовершенными и неравновесными по структуре, так как содержат высокую плотность дислокаций, ступенек и других дефектов, создающих вокруг себя различные искажения решетки.
Для определения размера зерен, микродеформаций и других количественных параметров структуры УМЗ материалов широко также применятся метод РСА. Рентгеноструктурные исследования, проводившиеся на образцах различных металлов, полученных методами ИПД, показывают наличие искажений решетки, значительных микронапряжений, которые вызывают уши-рение рентгеновских пиков.
Так, например, работе [26] приведены данные РСА для образцов никеля, полученных различными методами ИПД и их сочетанием. Во всех образцах наблюдается высокая плотность дефектов и значительная величина средне квадратичной микродеформации. Также обнаруживается, что размер областей когерентного рассеяния (ОКР), полученный методом РСА, заметно меньше размера зерен, рассчитанного из электронно-микроскопических снимков, для всех рассмотренных случаев деформационной обработки. Это может быть связано, во-первых, с допущениями в самих методиках расчета. Во-вторых, такая очевидная разница, которая наблюдается практически всегда для УМЗ материалов, может являться следствием наличия неравновесных границ зерен в структуре. Метод РСА позволяет определять размеры ОКР, соответствующих внутренней области зерен, однако не включающих в себя приграничные сильно искаженные области, образующиеся в материалах при ИПД. И, в-третьих, структура, формирующаяся при ИПД, является весьма неоднородной, внутренние объемы зерен могут включать в себя субструктурные фрагменты, которые методом РСА определяются как отдельные ОКР. Таким образом, общей характеристикой микроструктуры УМЗ материалов, полученных методами РКУП, является наличие искажений кристаллической решетки вблизи границ зерен, вызывающее высокие внутренние напряжения. Такое состояние границ зерен называется неравновесным [2, 30, 31] и, безусловно, влияет на эксплуатационные свойства таких материалов, в частности, на механические свойства.
Механическое поведение ультрамелкозернистых материалов, полученных методами и нтенсивной пластической деформации
Малый размер зерен в УМЗ материалах, вкупе с неравновесной структурой границ зерен, создающих высокие внутренние напряжения, обусловливает уникальные механические свойства таких материалов. Прежде всего, в результате ИПД происходит значительное повышение прочностных характеристик. В работе [32] проводилось исследование механических свойств УМЗ меди, полученной методом РКУП с разным числом проходов, и было показано не только возрастание прочности в результате деформации, но и насыщение этой характеристики с увеличением числа проходов, о чем было упомянуто в разделе 1.1. В работе [33] показано возрастание микротвердости чистого никеля в результате ИПД в несколько раз по сравнению с крупнозернистым состоянием.
Повышение прочности, предела текучести, твердости, а также усталостных свойств характерно для большинства чистых металлов, в которых с помощью ИПД достигается УМЗ структура [32-37].
Сравнение влияния отжига и ультразвука на деформированную структуру
На рис. 2.3 показаны структуры, полученные отжигом (а,б) и ультразвуковым воздействием на деформированный нанокристалл (в,г). Способ изображения структур тот же, что и на рис. 2.1, 2.2. Из рисунков видно, что, по сравнению с исходным деформированным состоянием (см. рис. 2.2), в обоих случаях границы зерен стали более ровными и тонкими, углы в тройных стыках зерен приблизились к равновесным, уменьшилось число малоугловых границ зерен и число дефектов внутри зерен. В то же время, как и следовало ожидать, после отжига происходит заметный рост зерна. После ультразвукового воздействия также можно заметить небольшой рост зерен, но это, прежде всего, связано с уменьшением числа фрагментов с малоугловыми границами, которых было много в деформированном состоянии (границы белого цвета на рис. 2.2а).
Для количественной оценки параметров структур были построены гистограммы, показывающие распределение границ зерен по углам разориенти ровки 0 (рис. 2.4), где L(0) - длина границ, имеющих разориентировку в заданном диапазоне углов 0 с шагом 5, а L - общая длина границ зерен в расчетной ячейке. Видно, что в исходном деформированном состоянии (рис. 2.4а), как упоминалось выше, преобладают малоугловые границы зерен. Воздействие отжига и ультразвука в данном отношении повлияло практически одинаково: уменьшилась доля малоугловых границ зерен и в структуре стали преобладать большеугловые разориентации, что характерно для процессов релаксации и возврата. Рисунок 2.3 – Структуры, полученные путем отжига (а) и ультразвукового воздействия (б) (150 тыс. шагов по времени). Те же структуры, изображенные с помощью закрашивания атомов с нарушенным координационным числом (в, г – отжиг и ультразвуковое воздействие соответственно)
Также для исходной структуры и структур после отжига и УЗО были построены гистограммы распределения зерен и субзерен по размерам (рис. 2.5). Большое число мелких зерен в деформированном состоянии имеют малые углы разориентировки, являясь, по существу, субзернами. Субзерна исчезают по мере воздействия ультразвука и отжига, при этом, в структуре остаются преимущественно зерна с большеугловыми границами, размер которых в результате отжига, увеличивается (рис. 2.5б), а при ультразвуковом воздействии практически не меняется (рис. 2.5в), не считая исчезновения фрагментов с субграницами.
Распределение границ зерен по углам разориентировки 0 а) в деформированной структуре, б) после отжига, в) после ультразвукового воздействия. Цв) - длина границ, имеющих разориентировку в заданном диапазоне углов в с шагом 5, L - общая длина границ в расчетной ячейке
Распределение зерен и фрагментов по размерам. Показано число зерен N , имеющих площадь S , а) в деформированной структуре, б) после отжига и в) после ультразвукового воздействия. Цифрой на а) указано число мелких зерен с площадью не более 1800a2
Был также проведен количественный анализ зависимости плотности вакансий от времени для структур после отжига и УЗО (рис. 2.6). Из рисунка видно, что отжиг способствует снижению плотности вакансий со временем. Ультразвуковое воздействие, напротив, приводит к размножению вакансий. Данный эффект наблюдался, например, в [54,55]. Его можно объяснить активизацией процесса переползания дислокаций при воздействии периодических напряжений.
Рисунок 2.6 – Зависимость концентрации вакансий от времени при отжиге (кривая 1) и ультразвуковом воздействии (кривая 2)
Полученные результаты показывают, что ультразвуковое воздействие на деформированный наноматериал приводит к релаксации его структуры, проявляющейся в ряде наблюдаемых эффектов. Те же явления наблюдаются и при отжиге, однако, в этом случае они сопровождаются неконтролируемым ростом зерен, что нежелательно для УМЗ и НК материалов, получаемых деформационными методами. Физическая природа этих двух способов воздействия на неравновесную структуру материала весьма различна, подтверждением чему служит отличие в изменении размера зерен и концентрации вакансий с течением времени.
Влияние амплитуды ультразвукового воздействия на эффект ре-лаксац ии структ уры
Были проведены расчеты для различных значений амплитуды ультразвука, которые показали, что существует немонотонная зависимость эффекта релаксации от амплитуды. На рис. 2.7 показана структура, полученная из деформированной путем ультразвукового воздействия с амплитудой 0 /В = 0.01, то есть в 1,33 раза больше, чем в предыдущем случае.
Результаты моделирования для фрагментов дислокационных стенок, включающих N дислокаций
На рис. 3.3 представлены зависимости дрейфовой скорости дислокационных кластеров (V) от безразмерной частоты звуковой волны П/ютах для
Рисунок 3.3 - Зависимость скорости дрейфа (К) от безразмерной частоты звуковой волны П/ютах для фрагментов дислокационных стенок, включающих N дислокаций. Сплошная линия соответствует волне напряжений с кх Ф О, ку = О, пунктирная -kx = ky 0. Вертикальные линии показывают положение N собственных частот случаев kx Ф О, ку = О (сплошная линия) и кх = ку 0 (пунктир). Вертикальные пунктирные линии показывают положение N собственных частот колебаний дислокационных кластеров. Последние вычислялись путем линеаризации уравнений свободных колебаний дислокаций и решением соответствующей задачи на собственные значения. Кластер, состоящий из N дислокаций, имеет N собственных частот, среди которых всегда имеется нулевая частота, соответствующая скольжению кластера как жесткого целого. Были рассмотрены кластеры с числом дислокаций от N = 1 до 7V = 6? найденные собственные частоты кластеров можно записать в виде:
Из рис. 3.3 видно, что скорость дрейфа отлична от нуля во всем исследованном интервале частот звуковой волны и возрастает на два порядка величины вблизи некоторых собственных частот дислокационных кластеров. Для волны сдвигающих напряжений, у которой только компонента волнового вектора кх отлична от нуля, резонансное возрастание скорости дрейфа наблюдается только при /»max - 0 . В случае, когда обе компоненты волнового вектора ненулевые и кх = ку, скорость дрейфа возрастает на каждой собственной частоте кластеров, но высота пиков уменьшается с увеличением Q. Это можно объяснить тем, что в присутствии силы вязкого трения высокочастотные колебательные моды кластеров затухают быстрее.
На рис. 3.4 приведены графики зависимости скорости дрейфа центра масс стенки (V) от безразмерной частоты звуковой волны Q/»max. Расчеты были проведены для ячеек периодичности стенки, включающих М = \, М = 2, М = 6, М = 10, М = 80 и М = 160 дислокаций для волны сдвиговых напряжений с кх=куФ0. Вертикальные пунктирные линии показывают
положения собственных частот, определяемые формулой (3.10).
И в этом случае скорость дрейфа не равна нулю во всем рассматриваемом промежутке частот звуковой волны, и она возрастает на два порядка величины вблизи некоторых собственных частот дислокационной стенки. В случае М = \ дислокационная стенка не имеет внутренних степеней свободы, и в результате имеется единственный резонансный пик на частоте /max 0. В случае М = 2 возможна одна мода колебаний стенки с максимально короткой длиной волны и, в результате, появляется дополнительный пик на частоте / »тах =1.
Результаты для возрастающих значений м показывают сходимость резонансной кривой к случаю М- оо. Можно заключить, что в идеальном случае бесконечной дислокационной стенки, имеется узкий резонансный пик на частоте &/сотах - 0 и довольно широкий пик на частоте П/штах 0,5. Рисунок 3.4 - Зависимость скорости дрейфа (V) бесконечной дислокационной стенки от безразмерной частоты звуковой волны Шютах в расчетах с ячейкой периодичности, включающей М дислокаций. Расчет для волны сдвиговых напряжений с кх=куФ0
Изучение динамики фрагментов дислокационных стенок и бесконечной дислокационной стенки, взаимодействующих с бегущей звуковой волной, привело к нескольким важным выводам: 1) скорость дрейфа дислокационной стенки, а также фрагментов стенки, не равна нулю во всем изученном интервале частот звуковой волны с ненулевым волновым вектором от нуля до значения »тах =3,12-1010 Гц, где отах - максимальная частота мало амплитудных колебаний дислокационной стенки;
2) для выбранных параметров скорость дрейфа возрастает на два порядка вблизи некоторых собственных частот колебаний дислокационной стенки и дислокационных кластеров. На некоторых частотах кластеров резонанс не наблюдается в случае действия волны, бегущей вдоль оси х, но он появляется для более общего случая, когда обе компоненты волнового вектора отличны от нуля;
3) особенно важным является резонансное возрастание скорости дрейфа фрагментов стенки, а также бесконечной стенки, в районе малых частот, Q/fflmas -» 0, что и реализуется при движении мало угловых дислокационных стенок в реальных кристаллах под действием ультразвука с частотами, используемыми на практике.
Таким образом, компьютерное моделирование методами молекулярной динамики и дискретной дислокационной динамики, описанное в главах 2 и 3, качественно предсказывает ряд эффектов, связанных с влиянием ультразвука на дислокационную структуру металлов. Большой интерес представляет экспериментальное наблюдение хотя бы некоторых из них. В связи с этим были проведены экспериментальные исследования воздействия УЗО на структуру и некоторые свойства УМЗ никеля, полученного с помощью двух методов ИПД: КГД и РКУП. Результаты данных исследований изложены в главах 4 и 5.
Исследование микроструктуры и механических свойств никеля после ультразвуковой обработки с амплитудами 20, 30 и 40 МПа
Микроструктура никеля, полученного в результате РКУП, представлена зернами, вытянутыми в направлении деформации, средний размер которых составляет 200-300 нм (рис. 5.2а). Встречаются также участки с равноосными зернами размерами от 100 до 200 нм. Границы зерен искривлены и в основном определяются нечетко. Внутренние объемы зерен содержат также субструктуру, состоящую из малоугловых фрагментов. Наблюдается повышенная плотность дефектов.
Воздействие ультразвука с амплитудами 20, 30 и 40 МПа не влияет на форму и размеры зерен (рис. 5.2б-г). Однако можно заметить отличие этих структур друг от друга: в структуре УМЗ никеля после УЗО с амплитудами 20 и 30 МПа видны более четкие и ровные границы зерен, чем в структуре после РКУП, встречаются также зерна с полосовым контрастом, характерным для равновесных границ зерен (рис. 5.2б). Снижается плотность дефектов, и в структуре преобладают участки с зернами без внутренних субграниц. УЗО с амплитудой 40 МПа, напротив, способствует тому, что границы еще больше искривляются по сравнению с состоянием после РКУП, и плотность дефектов увеличивается (рис. 5.2г).
Результаты механических испытаний образцов никеля после РКУП до и после УЗО представлены на рис. 5.3 и в табл. 5.1.
Видно, что УЗО при амплитудах 20 и 30 МПа способствовала увеличению пластичности материала на 2,5 и 1,5% соответственно, что в данном случае является заметным. УЗО с амплитудой 40 МПа приводит, наоборот, к уменьшению пластичности на 3,3%. При этом во всех трех случаях предел прочности и условный предел текучести практически не изменились. Эти результаты кореллируют с данными микроструктуры, описанными выше.
Данные РСА (табл. 5.1) показывают, что во всех трех случаях происходит снижение внутренних напряжений в структуре УМЗ никеля, причем наибольшее снижение происходит после УЗО с амплитудой 20 МПа.
Таким образом, наиболее эффективной обработкой для повышения пластичности никеля, подвергнутого РКУП, при испытаниях растяжением вдоль оси цилиндрического образца, оказалась УЗО с амплитудой 20 МПа. С увеличением амплитуды этот эффект снижается, а затем переходит в противоположный эффект – пластичность начинает падать. Это связано с тем, что ультразвук вызывает ряд эффектов при взаимодействии с дефектами структуры, и какой из этих эффектов будет преобладать, зависит как раз от интенсивности ультразвуковой волны. Воздействие ультразвука низкой интенсивности способствует релаксации структуры, при которой дефекты выстраиваются в более равновесные конфигурации, что приводит к снижению внутренних напряжений. Это, в свою очередь, влияет на механические свойства, что и наблюдается в эксперименте. При увеличении интенсивности воздействия ультразвука в структуре начинают преобладать другие процессы – размножение дислокаций и наклеп структуры, что приводит к некоторому упрочнению материала и к снижению его пластичности.
Результаты данного эксперимента также согласуются с результатами компьютерного моделирования, описанными в главах 2 и 3.
Зависимость механических свойств ультрамелкозернистого никеля от амплитуды ультразвука
Для подтверждения эффекта влияния ультразвука на пластичность УМЗ никеля, а также для более полного определения зависимости механических свойств от амплитуды ультразвука был проведен второй эксперимент, в котором механические свойства определялись в различных точках одного образца, соответствующих различным амплитудам ультразвука (см. формулу 5.1) в широком диапазоне.
Зависимости предела прочности и предела текучести, построенные по результатам эксперимента, представлены на рис. 5.4. Видно, что значения этих величин изменяются симметрично относительно центра образца. Кроме того, на графиках пустыми точками показаны значения предела прочности и относительного удлинения для «неозвученного» образца, полученного РКУП: в разных точках они незначительно отличаются друг от друга. Это свидетельствует о том, что изменение механических свойств по длине образца обусловлено именно влиянием УЗО.
