Влияние внешнего нагружения на взаимодействие дислокаций с точечными дефектами Супрун, Иван Тимофеевич

Введение к работе

Актуальность исследования временных процессов перераспределения точечных дефектов обусловлена их важностью для описания процессов микроползучести, упрочнения, роста зародышей выделений на дислокациях и др.

Лвихуциеся дислокации могут переносить примеси в направлении движения дислокации. При этом примеси могут перемещаться как диффузионно в поле движущейся дислокации, так и безактива-циокно, оставаясь в ядре дислокации. Последний механизм играет важную роль в процессах дислокационно - динамической диффузии в области низких температур [1]. Изучение процессов захвата и переноса дислокациями легких примесей, таких, как водород, гелий, углерод, позволяет сформулировать Физический механизм изменения скорости диффузии и растворимости примесей в металлах при пластической деформации.

Одним из наиболее чувствительных методов исследования процессов, происходящих в кристалле на атомно-иояекулярном уровне, а также механизмов взаимодействия дислокации с точечными дефектами является метод внутреннего трения (ВТ). Для правильной интерпретации результатов измерений ВТ необходимо знать физические механизмы потерь энергии. Широко используемые для описания дислокационного ВТ модели Гранато-Люкке f2] и Инденбома-Чернова [З] позволяют изучать, главным образом, не зависящее от времени ВТ. Изменение числа слабых точек закрепления, трубочная диффузия, образование сегрегации на дислокациях приводят к появлению временных зависимостей ВТ. Анализ этих зависимостей в совокупности с изучением амплитудных , температурных частотных и других характеристик внулэеннего трения и дефекта модуля позволяет определить особенности протекающих Физических процессов к установить числовые значе-

НИЯ ПЗгР&МвТРОВ ОПРЯвЛЯ1}ШНХ ЭТИ ПТХМЗЙСГЫ [4] ft T>ft"WЛ*Л*А*ГА

таких исследований можно сое—-н»достаточно nolv* la* развития процессов пластичности" *и диффузии на атомнее-

It V Л ЯСНОМ VPOPHQ

Дислокационные потери энергии часто разделяют на динамиче-

- fi -

ские в гистерезисные. Под динамическими обычно лонимают пэтери, вызванные вязким торможением движущееся дислокации. В этом случае ВТ имеет резонансный характер, зависит от частоты и не зависит от амплитуды приложенного напряжения. Гистерезисные

пи"Пт сла^Г^чГзі^п^ниГТ^х молеГїїнаГГ^ ZlZeZlZ вї з^исиГГа^литудыТне з^иЛт частоты.

Теоретический анализ и эксперииентальнне результаты, полученные при измерениях в широком диапазоне амплитуд и частот. показывают, что модели внутреннего трения, в которых динамическое ВТ не зависит от амплитуды, а гистерезисное - от часто-ты. выполнять, в лучвем случав, в достаточно узком диапазоне амплитуд и частот пложенного напряжения.

Для эффективного использования результатов ВТ представляется актуальным разработка метода, позволяющего равделить динамические и гистерезисные потери в широком диапазоне амплитуд и частот приложенного напряжения.

в последние годы вирокое распространение приобретают методы построения карт механизмов деформации для изучения упруго -пластических свойств металлов и сплавов. Использование методов внутреннего трения позволяет определить границы областей, в ко^рых действе равличяые механизмы плавкого деформирования и ползун

Актуальность теоретического анализа амплитудных, временных, температурных и частотных зависимостей ВТ для раэличныых механизмов пластического деформирования обусловлена необходимостью надежного определения механизмов деформации при сравнении экспериментальных и теоретических зависимостей внутреннего трения.

В настоящее работе выполнен последовательный анализ процессов диффузионной кинетики вблизи дислокации в поле внешнего на-гружения. учитывающий тонкую структуру ядра дислокации. Детально обещается влияние рассматриваемых диффузионных процессов на изменение внутреннего трения, дефекта модуля и пластических свойств реальных кристаллов.

ЦЕЛЬЮ ДАННОЙ РАБОТЫ является анализ основных механизмов взаимодействия дислокации с точечными дефектами в условиях внеонего нагружекия, разработка на основе этого анализа моде-лей упрочнения и разупрочнения кристаллов в поле постоянного и периодического внеіих напряжений, разработка методики исполь-

*w 7 **

зования методов внутреннего трения для изучения процессов пластической деформации и определения параметров, характеризующих эти процессы. Для выполнения этой работы необходимо было решить следующие задачи .

1. Сформулировать систему уравнения диффузионной кинетики. позволяющую описывать процессы распределения точечных дефектов Вблизи структурных нарушений в условиях внеаиего яагрувения. Разработать методы решения этой системы.

2. Разработать модели, позволяющие исследовать обмен дефектами между ядром дислокации и обьемом кристалла в поле внешних сил и исследовать процессы перераспределения дефектов в условиях постоянного и периодического внешних напряжений. Проанализировать влияние температуры, амплитуды и частоты прилояенного напряЕения на изменение числа дефектов в ядре дислокации .

3. Исследовать временные процессы диффузии точечных дефектов вдоль дислокации, учитывающие изменение Функции распределения длин дислокационных сегментов в поле внешнего нагружеяия, а такке обмен дефектами мекду ядром дислокации и обьемом кристалла. Выделить параметры, определяюяие роль различных механизмов диффузионной кинетики и выяснить условия, при выполнении которых будет преобладать один из рассматриваемых механизмов.

4. Для целей экспериментального изучения процессов
взаимодействия дислокации с точечными дефектами теоретически
исследовать изменения дислокационного внутреннего трения и де
фекта модуля при изменении числа слабых точек закрепления и
трубочной диффузии. Проанализировать амплитудные, временные,
температурные и частотные зависимости ВТ при различных услови
ях нагружения.

5. Исследовать воэмоаность разделения динамических и гис-
терезисных потерь. Разработать методику, позволяющую на осно
вании полученннх из эксперимента Функциональных зависимостей

внутреннего трения определять основные параметры, характеризующие взаимодействие дислокации с точечными дефектами, а также анализировать элементарные акты микропластичности на зтомно-молекулярном уровне.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ. В настоящей работе проанализировано влияние внешнего нагружения на взаимодействие дислока-

— 8 —»

ции с точечными дефектами, предлокены механизмы разупрочнения кристаллов в поле периодического внешнего напрявения. Выполнен детальный анализ изменения дислокационного внутреннего трения в результате различных диффузионных процессов, протекающих в кристалле под действием внешних сил. Из основных результатов. обладающих научной новизной, мояно отметить следующие:

4. Впервые сформулирована система уравнений диффузионной кинетики,учитывающая тонкую структуру ядра дислокации и позволяющая исследовать процессы распределения точечных дефектов между ядром дислокации и объемом кристалла в поле внешнего нагрукения; предложены методы решения этой системы для различных граничных и начальных условий.

5. Показано, что в поле внешней акустической волны число слабых точек закрепления на линии дислокации уменьшается. Это приводит к новому механизму разупрочнения кристалла - в области амплитуд деформации ₀^т" 10 уменьшение числа точек закрепления приводит к уменьшению напряжения начала пластической деформации в несколько раз. Проанализированы амплитудные, временные, температурные и частотные зависимости этого процесса .

6. Установлена зависимость между плотностью дефектов на линии дислокации и Функцией распределения длин дислокационных сегментов. С использованием этой зависимости впервые получено уравнение, описывающее диффузию точечных дефектов вдоль дислокации в поле внешнего нагружения, учитывающее обмен дефектами между ядром дислокации и объемом кристалла, отрыв дислокации от слабых точек закрепления и другие процессы. Найденная зависимость используется также для статистического описания и получения усредненных по длинам дислокационных сегментов значений параметров, описывающих взаимодействие дислокации с точечными дефектами.

7. Разработана модель, описывающая диффузию точечных дефектов вдоль дислокации и учитывающ.я возможность обьединения ЭтиХ дефектов в комплексы. Анализ этой модели методами численЧого моделирования позволил установить значения концентраций примесей, температур и напряжений при которых происходят процессы образования комплексов на дислокациях.

8. Получена Формула для вероятности отрыва дислокации от слабых точек закрепления, в которой впервые учтено изменение

ФУнкции распределения длин дислокационных сегментов в результате действия различных диффузионных механизмов. Численный анализ этой Формулы позволил выделить основные параметры, влияющие на вероятность отрыва при различных условиях нагруяе-иия.

6. Предложен механизм переноса примесей движущимися дислокациями и составлена система уравнения, описывающих этот механизм. Показано, что в области низких температур легкие примеси (Н, Не, С и др.), лежащие в ядре дислокации, могут переноситься движущимися дислокациями почти безактивационно. Сравнение полученных Формул с экспериментом позволило оценить плотность дефектов на движущихся дислокациях, скорость движения дислокаций и другие параметры.

7. Предложен метод, позволяющий определить частоты скачков дефекта в ядре дислокации и обьеме кристалла по результатам анализа асимптотики временной зависимости динамического ВТ или дефекта модуля. По данным температурных и частотных зависимостей динамического вт, определены энергии активации и частот-тные факторы элементарных актов диффузии, а также энергии связи точечного дефекта с ядром дислокации для ряда кристаллов.

8. Впервые исследовано влияние различных диффузионных
процессов на гистерезисное дислокационное внутреннее тре
ние. Амплитудная зависимость гистерезисного ВТ имеет Форму
пика, причем возрастающая ветвь этого пика спрямляется в коор
динатах Гранато-Люкке, а ВТ на убывающей ветви уменьшается
обратно пропорционально квадрату амплитуды. Диффузионные про
цессы приводят к смещению пика и изменению его высоты.

Предложен метод определения некоторых параметров, характеризующих взаимодействие дислокации с точечными дефектами (число слабых точек закрепления, максимальное значение силы взаимодействия, среднее расстояние между точками закрепления и др.), основанный на анализе амплитудного пика гистерезисного ВТ. Использование этого метода позволяет анализировать процессы, происходящие в кристалле при пластической деформации, в частности, упрочнение и разупрочнение кристалла при изменении числа точечных дефектов, взаимодействующих с дислокацией, а также при переходе дислокаций в новые положения равновесия.

9. Разработана методика разделения динамических и гисте-
реэисных потерь при измерении дислокационного внутреннего тре
ния. Обработка экспериментальных данных с использованием этого

метода показывает, что амплитудная зависимость динамического ВТ может быть монотонно возрастающей или проходить через максимум, Анализ низкотемпературных амплитудных зависимостей дислокационного ВТ позволил выяснить характер протекания микропластических деформаций в области низких температур, а также указать возможные причины появления гистерезиса амплитудной зависимости ВТ, когда кривые, полученные при возрастании амплитуды, отличаются от соответствующих кривых, полученных при убываиии.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Полученные в данной работе результаты позволяют глубже понять процессы пластической деформации в кристаллах, связанные с взаимодействием дислокаций и точечных дефектов, изменение прочности и пластичности в поле внешнего нагружения. Обработка экспериментальных данных, полученных методом внутреннего трения, позволила определить основные параметры, характериэуюдив дислокационную структуру и взаимодействие дислокаций с точечными дефектами. Зная численные значения этих параметров и используя полученные в работе уравнения диффузионной кинетики, можно прогнозировать поведение кристаллов в условиях сложного нагружения, переменных температур. диФФузионно-активных сред.

Выполненный в работе анализ механизмов взаимодействия дислокации с точечными дефектами позволяет объяснить природу разупрочнения кристаллов под действием ультразвука и может быть использован как для облегчения процессов пластической деформации. так и для предотвращения нежелательных процессов остаточных деформаций в металлических конструкциях.

Сформулированные модели Физических процессов и полученные уравнения могут быть также использованы для описания процессов никрополэучести и при составлении карт механизмов деформации.

на ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ Следующие научные положения и результаты:

1. Система уравнений диффузионной кинетики, позволяющая
исследовать распределение дефектов в ядре и вокруг дислокации
с учетом тонкой структуры ядра дислокации; анализ диффузионно
го взаимодействия дислокации с точечными дефектами в условиях
сложного нагружения.

2. Ыеханиэми разупрочнения кристаллов, вызванного измене-

- ii -

кием числа точек закрепления в ядре дислокации и трубочной диффузией точечных дефектов в поле сложного нагружения; определение амплитудных и температурно-частотных интервалов действия рассматриваемых механизмов; выделение основных параметров, характеризующих процессы разупрочнения.

3. Модель массопереноса при пластической деформации, когда движудиеся дислокации переносят примеси, леващие в ядре дислокации; способ определения основных параметров, характеризующих массоперенос при пластической деформации.

4. Механизм объединения точечных дефектов, находящихся в ядре дислокации, в комплексы: метод численного моделирования, позволяющий исследовать процессы образования комплексов в поле внешнего нагружения.

5. Результаты теоретического анализа дислокационного динамического внутреннего трения с учетом трубочной ДИФФУЗИИ и изменения числа слабых точек закрепления; изучение процессов микропластичности и основных параметров взаимодействия дислокации с точечными дефектами на основе этого анализа.

6. Результаты исследования отрыва дислокации от точек закрепления в поле сложного нагружения с учетом диффузионных процессов, происходящих вблизи дислокации; использование этих результатов для изучения гистерезисного внутреннего трения; анализ диффузионных процессов вблизи дислокации методами внутреннего трения.

7. Методика определения основных параметров дислокационной структуры и диффузионных характеристик на основании анализа амплитудного пика внутреннего трения; методы разделения динамических и гистерезисиых потерь энергии при измерении внутреннего трения и использование этих методов для анализа необратимых процессов, происходящих в кристалле при сложном нагруже-нии и приводящих к гистерезису амплитудной зависимости внутреннего трения.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ И ПУБЛИКАЦИИ. По результатам исследований опубликовано 35 научных работ. Основные результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Всесоюзные совещания по механизмам внутреннего трения в твердых телах (Сухуми - 1976. Кутаиси - 1979. 1962, Ватуми - 1985. Тбилиси - 1989); Всесоюзные совещания по взаимодействию между дислокациями и атомами примесей и свойствам сплавов (Тула - 1982. 1988); Все-

союэине школы по Физике пластичности я прочности (Харьков -1984. 1987, 1990); Всесоюзная икола-семинар по проблеме "Рела-ксационные явления в металлических и иеиеталлических материалах" (Ереван - 1987). Всесоюзные семинары по моделированию радиационных я других дефектов в твердых телах (Одесса -1990, Сумы - 1991, Киев - 1992), конференция РАН " Фазовые и структуре преврацения в сталях" памяГакадемика В. Д. Садовского (Екатеринбург - 1992).

СТРУКТУРА И ОВЬЕИ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения,
пяти глав, разделенных на две части, общих выводов и заключе
ния. В первой части, содержащей три главы, исследуется влия-
ниеввеинего нагру«ени_Я ГдиФФузионные процессы вблизи дис
локации во второГчасти. состоящей из двух глав, анализиру-
етГо^бенносїи дислокационноговнутреннего трения. В начале
"рвов и вт^ СстеГпредставлены обзорные материалы
oZ хакера г^е данПр^ч^ оценГработ по теорі-
тичесімГГз^ери^ даЦузии

в^изиТслока^ГГ^^нноГ ВТ Кроме этого ПзГ ные м!т2иаГ^олее ^гПарактера представлены ^ ввадны^ шРаг^х^ой глСы Объем дассе^и сос^ляет ^

S2hhTbk3^^^р^ГГтаб^Тс^сок S3Sp_H из
^Гна^еЗ^ литературы из

- ІЗ -