Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время одним из важнейших и быстро развивающихся направлений механики деформируемого твердого тела и физики конденсированного состояния является исследование поведения нанок-ристаллических металлов и сплавов при механическом нагружении. В частности, нанокрисгаллические металлы и сплавы являются предметом интенсивных научных исследований, что обусловлено их необычными физическими и механическими свойствами. Например, прочность и твердость нанокри-сталлических материалов в несколько раз выше соответствующих характеристик обычных крупнозернистых поликристаллов того же химического состава. Вместе с тем, нанокристаллические твердые тела обычно проявляют крайне низкую пластичность, что существенно сужает круг их технологического использования. Однако в последние годы были получены некоторые нанокристаллические металлы и сплавы, которые характеризуются высокой пласі ичнос і ыо или даже проявляют свойство сверхпластичности при относительно низких температурах и высоких скоростях деформации, сохраняя при этом высокую прочность. Это открывает огромные перспективы прикладного использования таких нанокристаллических материалов, которые одновременно и сверхпрочны и сверхпластичны.
Нанокристаллические материалы представляют собой твердые тела, состоящие из зерен (кристаллитов) с размерами от нескольких нанометров до 100 нанометров. Экспериментальные исследования структуры нанокристаллических материалов показали, что из-за малого размера зерен значительную долю объема этих материалов (иногда десятки процентов) занимают межзе-ренные границы и их тройные стыки. В результате, границы зерен в нанокристаллических металлах и сплавах обеспечивают действие специфических механизмов пластической деформации, в отличие от обычных поликристаллов, в которых пластическая деформация осуществляется преимущественно за счет движения решеточных дислокаций в зернах. Идентификация этих специфических механизмов пласіической деформации является ключевой проблемой для понимания природы пластичности и сверхпластичности нанокристаллических твердых тел. Согласно современным представлениям о процессах пластического течения в нанокристаллических материалах, наряду с решеточным скольжением, в таких материалах дейсівуют также такие механизмы пластической деформации как зернограничное скольжение, ротационная мода деформации, диффузионный массоперенос но границам зерен и их тройным стыкам, деформация лвойникованием, связанная со скольжением частичных дислокаций.
Следует отметить, что в насюящее время накоплен достаточно большой объем экспериментальных данных, подтверждающих, что в нанокристаллических материалах в различных условиях действуют выше перечисленные механизмы пластической деформации. Однако, вследствие существующих ограничений в разрешающей способности применяемого оборудования и сложности расшифровки получаемых экспериментальных результатов, со-
»>ос. национальная!
СПетеДОг f J
ОЭ WMrtv ?
временные экспериментальные методы не позволяют идентифицировать вклад различных механизмов пластической деформации в пластичность и сверхпластичность нанокристаллических материалов, а также роль взаимодействия этих механизмов в процессах (сверх)пластического течения наноструктур. Во многих случаях не удается экспериментально определить дефектные структуры и их трансформации, ответственные за действие механизмов пластической деформации в нанокристаллических материалах, демонстрирующих пластичность и сверхпластичность Помимо этого, вследствие новизны проблемы, теория поведения нанокристаллических материалов при механическом нагружении не развита; она находится в стадии становления. До последнего времени наибольшее внимание утелялось построению упругих моделей дефектов в наносгруктурах в рамках классической теории упругосіи, нелокальной и градиентной теорий упругости. Также развивается нелинейный подход в механике деформируемых крисіаллов и напосгрукіур Задача же приложения этих моделей к построению адекватной теории поведения деформируемых нанокристаллических твердых тел остается пока не решенной, сушесівуют лишь оїдельньїе модели Как следствие, построение теоретических моделей механизмов (сверх)пластической деформации - предмет настоящей диссертационной работы - является исключительно важным как для понимания фундаментальных основ уникального поведения нанокристаллических твердых гел, демонстрирующих пласіичлосіь и сверхпластичность, так и для развития высоких технолоіий получения и пласіического формообразования сверхпрочных нанокристаллических металлов и сплавов. Это обусловливает актуальность предлагаемой диссертационной работы
Цель работы. Целью настоящей рабо і ы является построение теоретических моделей, достоверно описывающих механизмы пластической деформации в нанокристаллических металлах и сплавах, харакіеризуемьіх пластичностью и сверхпластичностью.
Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие основные задачи:
Построение модели движения диполя зернограничных дисклинаций путем испускания пар решеточных дислокаций в прилегающие зерна, расчет энергетических характеристик и определение критических параметров такого движения диполя зерної раничных дисклинаций в нанокристаллических металлах и сплавах.
Построение модели испускания частичных дислокаций границами зерен при движении зернограничных дисклинаций в нанокристаллических металлах при (сверх)пластической деформации, оценка критических напряжений и критических размеров зерна для испускания частичных и полных решеточных дислокаций.
Построение моделей совместного действия зернограничної о скольжения и ротационной деформации и перехода от зернограничного скольжения к ротационной деформации в (сверх)пластически деформируемых нанокристалличсских металлах и сплавах, расчет критического напряжения перехода от зернограничної о скольжения к ротационной деформации.
Построение моделей механизмов упрочнения и разупрочнения в нанок-ристаллических металлах и сплавах при сверхпластической деформации, построение теоретической зависимое їй напряжения течения от степени пласі ической деформации.
Научная новшна. В диссертации впервые:
построена теоретическая модель нового микромеханизма движения диполя зернограничных дисклинаций за счет испускания пар решеточных дислокаций в прилегающие зерна под дейс гвием внешнеї о напряжения, что является эффективным механизмом ротационной деформации на-нокристаллических металлов и сплавов;
теоретически исследован механизм испускания частичных дислокаций Шокли границами зерен, зарождающихся на зернограничных дисклина-циях, в пластически деформируемых нанокристаллических металлах под действием внешнего напряжения;
посгроемо теоретическое описание новых микромеханизмов совместного действия зернограничного скольжения и ротационной деформации и перехода от зерноіраничного скольжения к роїационной деформации в результате трансформации скользящих зернограничных дислокаций на тройных сіьїках границ 5срен. впервые получена оценка критического напряжения для перехода от зернограничної о скольжения к роїационной деформации;
теоретически исследованы новые механизмы упрочнения и разупрочнения в нанокристаллических сплавах, проявляющих свойство еверхпла-стичносш. впервые построена теоретическая зависимость напряжения течения от сіепени пластической деформации в нанокристаллических материалах при сверхпластической деформации.
Практическая значимость работы. Представленные в рабоїе модели механизмов пласі ической деформации в нанокристалличсских металлах и сплавах является исключительно важными для понимания фундаментальных основ уникальною поведения нанокристаллических твердых тел при пластической и сверхпластической деформации и могут быть использованы в практических задачах получения и контроля высоких механических характеристик нанокристаллических материалов, демонстрирующих пластичность и
сверхпластичность. Построенные модели объясняют ряд механизмов пластической деформации, наблюдаемых на эксперименте (вращение кристаллической решетки зерен в нанокристаллических металлах и сплавах, испускание границами частичных дислокаций Шокли в нанокристаллических ГЦК металлах, эффекты упрочнения и разупрочнения в нанокристаллических сплавах при сверхпластической деформации) и предсказывают новые механизмы пластической деформации (движение зернограничных дисклинаций путем испускания решеточных дислокаций, переход от зернограничного скольжения к роїационной деформации на тройных стыках границ зерен) Идентификация специфических механизмов пластической деформации чрезвычайно важна как для построения общей фундаментальной теории пластичности и сверхпластичности нанокристаллических металлов и сплавов, так и для эффективного развития технолої ий их производства и пластического формоизменения.
Основные положения, представленные к защите:
Модель движения диполя зернограничных дисклинаций под действием внешнего напряжения путем испускания пар решеточных дислокаций в прилегающие зерна, расчет энергетических характеристик и определение критических параметров такого движения диполя зернограничных дисклинаций в нанокристаллических металлах и сплавах.
Модель испускания частичных дислокаций границами їерен при твиже-нии зернограничных дисклинаций в нанокрисіаллических металлах при пластической деформации, расчет энергетических характеристик испускания границами частичных дислокаций Шокли, оценка критических напряжений и криіических размеров іерна для испускания частичных и полных решеточных дислокаций.
Модели совместного действия зерної раничного скольжения и ротационной деформации и перехода от зерноіраничпого скольжения к ротационной деформации под действием внешнею напряжения, расчет энергетических характеристик перехода от зернограничного скольжения к poia-шюнной деформации, оценка критического напряжения такого перехода.
Модели механизмов упрочнения и разупрочнения в нанокристаллических металлах и сплавах при сверхпластической деформации, исследование условий испускания тройными стыками границ зерен решеточных дислокаций, расчет критических напряжений, необходимых для последовательных трансформаций зернограничной структуры, построение іеоретической зависимости напряжения течения от степени пластической деформации.
Работа проводилась в рамках выполнения плановых НИР по темам
-
"Моделирование поведения дефектов и процессов пластической деформации в массивных нанокристаллических материалах" и
-
"Моделирование структуры поверхностей раздела и расчета полей напряжений в нанокристаллических пленках и мультислойных гибридных покрытиях", а также НИР, поддержанных грантом Ь0026 Федеральной целевой программы "Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годы", грантами Санкт-Петербургского научного центра РАН за 2002, 2003 и 2004 годы, грантом РФФИ (грант 04-01-00211), а также НИР в рамках научной программы РАН "Структурная механика материалов и элементов конструкций. Взаимодействие нано-, микро-, мезо- и макромасштабов при деформировании и разрушении ".
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 5-ой международной конференции "New Approaches to High-Tech: Nondestructive Testing and Computer Simulation in Science and Fngineering" (Санкт-Петербурі, Россия, 2001): международной конференции "Nanomaterials and Nanotechnologics" (Крит, Греция, 2003); международном симпозиуме MRS Symposium "Mechanical Properties of Nanostructured Materials and Nanocompo-sites" (Бостон, США, 2003), международном семинаре "Nanostructured Materials Mechanics" (Санкт-Петербург, Россия, 2004), 8-ой международной конференции "New Approaches to High-'l ech: Nondestructive Testing and Computer Simulation in Science and Lngineering" (Санкт-Пеїербург, Россия, 2004) и семинарах в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете и Институте проблем машиноведения Р\Н.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 10 научных статьях в отечественных и зарубежных журналах, а также в статье в научном сборнике. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав основного текста, заключения и списка литературы. Общий обт.ем диссертации составляет 166 страниц, включая 37 рисунков. Список литературы состоиі из 156 наименований.
