Трансформации дефектных структур конденсированных сред и механизмы пластической деформации некристаллических металлов Овидько, Илья Анатольевич

Введение к работе

Актуальность теш. Конденсированные среды (кристаллы, стекла, ква-икрйсгаллы, жидкие' кристаллы, магнетики, сверхтекучие жидкости) пред-тавляют робой,один .из основных объектов- теоретических и оксперимекта-ьны> исследований йехеники .и' .физикд., что обусловлено огромным наро-вохозяйственным.Значением.практического использования таких сред. На йййеские'и механические.свойства конденсированных' сред существенное, ерйдда'о'прелелящее-.влияние р'каз'ьшайг дефектные структуры в таких р'еда'х;. С atju.t связано,' налі^чке.'значительного и постоянно растущего во с ем мире' ингердс'а- к /изучению"-дефект них структур конденсированных ред. -Особое внимание'уде'ляі'тея: исследованиям дефектных структур и роцессов-пластической' дейормации.в некристаллических (аморфных я ква-икристалличесіоіх)-ітеталлкческих твердых, телах, которые являются пер-пективнями кЛассамц кшсзрукционных ыат'ериалрв. ' .Для; описания дефектных -структур' -в конденсированных средах в пос-едние' 10-15 л-р'т ..были развиты новйе -элективные теоретические подходы еометрическрг-о характера.'<Это, -прёяйе-вс"его, полиэдрический и тополо-іиейкяй подхода. К "чйодУ новых ївшеярілфс'ких методов относится так-э fеометрич-е'ский проекционный, метод .описания- кёазикрнсталдических ме-Шов.'Новы? геок$тркчеркі!е -'пбд^одц^-"кот6рые' базируются на использо-анЕИ срейсиг геометрии- для', изучения свойств дефектных структур в кои-эноированных-среда'х, 'якл-яюгся .одной.из-свмейс'.молодых областей теории, эердого*Тела. .Этй»:о{5ъ-ярняетоя неівдста,тоякая развитость данных подх'о-эв..'В.-частнасти,*'ДО постановки, настоящего-исследования-не было работ т'опрлотиче^ксял-'оптейкий-де^єйтїінх-структур обиёго.вида и их транс-эрмэиий'.а-конденеирован'ннх'упорядочённых средах;, 'Проводились первые Следования' ер теории етат]іче'сгаіі;ді(сЯокаійій и'даскдпнаций в квази-зисїалдах^ «ё" существовало;, г'еоиетрикогП.ояйрдр'ическргр' описания тран-Еі&рмаїшй; 'дефектныхСтруктур/в; металлических' материалах'! в то время 5_к; мехшщ'ч'еокйе. я многие" физические сврйства' металлических твердых гл и. других кондейсиро.вашшх^сріед. опре.дедярт.ся-іа]е.іпі,о'традоформация-і дефектных* структур.' (а' не"их* статическими, свойствами) .- Также не da-і однозначно выявлены^-- микроскопические,' механизмы -пластической дофор-зциц в кіеталлйчейкіїх "сТе.ісЛах ji к'зЗз'икрисїалла'х; 'Вместе стеи, в России ,за/рубеж6м'про'прдкпйсь''тіексп^ка6 {заботы;- по'-бімгіер'ийецтальначу изу-зііИІті^нсФ'ор^атоій,дефск_гтііц-х структур, в конденсйр.ованннх средах и зязащшх 6 тпк:«.я.ті)аіісфорітіішК!Н/фязичеста«'явдений, в частности, тасткческоі* -до'+ок-лчіиіп. п -'ііекркстгідличес'вд'х металлических материалах,

- -'. ..'':.". ' з

эффекта твердофазной .амортизации,, зернограничного скольжения, аффек периодических-изменений характеристик деформируемых ВДС-металлов. '

Все вышёсвдзанное определяет актуальность темы настоящей'диссерт
ционной работы, предмет которой * .разработка основ нового научного, ц
драения "15рШРИЧЕСЮШ;.ТЕ0РР ТРАНСФОРМАЦИЙ ДОЕККОЙ СТРУКТУР КО
ДЕШИРОВАННЫХ СРЕД И МЙСАШШШ ШІАСТШЙЗКОЙ ДИОРМАЦИИ .'ЩКРШТАШШЧ
СКИХ МЕТАМОВ".-. ''.'.' ,//.'-"'

Цель работы.' Полное теоретическое исследование трансформаций дефектных структур конденсированных сред и механизмов-, пластической деформации некристаллических металлов' на основе развития общих геометрических (топологического,полиэдрического и проекционного) подходов Для достижения поставленной цели.в .работе, Оыр сформулированы и реше ны следующие основные задачи:

I, Построение (геометрического.) проекционно-тодологического пода да к описанив. дефектных структур и их трансформаций в квазикристалли ческих металлических сплавах с икоса аіцрической симметрией.' Выявление новых типов дефектных .структур а новых типов трансформаций дефектных структура квазикристашіических металлических сплавах,

2.'Построение.обшей полиэдрической схемы описания дефектных стру тур и их. трансформаций в аморфных металлических, сплавах.

3. Выявление и теоретический анализ механизмов пластической'дефо мации а некрксталлвчеоких'(аморфных и квазикрис^аллических) металлич ских сплавах. '

4* Построение дефектио-полиэдрйческой модели границ зерен в мета лах и анализ механизма зеркограничкого сколькйнйя.. .

б,.Построение-теории,трансформаций"дефектных структур, определяй шах механизмы твердофазной амор|азацра в -металлических материалах.Вы явленеє нового механизма, пластМизкой деформации кристаллических металлов, связанного о локалгной.уаердофазной.аморфизацйей..,

1. Разработка теоретической иодели периодических трансформаций-дефектных структур в вяастаческз-дефорадаруемах металлах о ОДС-решет-коё, .-. ' // ;.' -- ''-.''',''

2. Построение общи тоаологйческой схема описання, дефэкзвдх отру ктур общего вида в монофайкнх V гатерофазных конденсированных упорядоченных средах. Выявите в рамках, данной схемы, новых тшов топологически устойчивых дефзктных' структур и анализ их травоформаций .в," конденсврованнйх упорядоченных.средах. '''..

Научная новизна.-В диссертаций впервые лров'еден комплексный гео-

грический анализ.трансформаций дефектных структур-конденсированных вд я механизмов пластической.деформации некристаллических (аморфных квазикристаллических) металлов. -

Так, разработан новый геометрический (проеэдйонйо-топологический)
вход к описанию дефектных структур И их трансформаций в икосаэдриче-
лх ква'зикристалличрских твердых телах. В рамках данного подхода най-
яа общая топологическая классификация дефектных структур и выявлены
вые типы дефектных структур в квазикрястаялах: топологически устой-
эые .частицеподобнне солйтоны и топологически неустойчивые бескоро-
а дефекты* Получено теоретическое описание геометрии структура
аниц зерен в.икосаэдрических квазикристаллах. Проведен георетичео- ,
й анализ процесса растепления, полных дислокаций на частичные в
взикристашвх. Предложен новый механизм пластической деформации
квазикристаллах, связанный с движением мобильных частичных дис-
каций - частичных дислокаций,; характеризуемых "чисто трансляци-
ными" векторами fnprepca'(векторами с нулевыми фаэонными и тану-
выми ^трансляциониаот компонентами) . Проведена оценка напряжения
чения-и выявлены пути пластификации реальных квазикристаллических
ердых' тел. '

: Разработан новый, геометрический (дефектно-полиэдрический) подход эписанию аморфных металлических сплавов, являвшийся обобщением ответных-тшсклшмциойкс-гетраздряческих моделей аморфных металлов. В " шах данного подхода аморфные металлические сплавы описываются как этные упаковки полиэдров, содержащие ансамбли дефектов (дефектные эукгуры) с цеупорядоченнсй. пространственной организацией. С помощью здетв нового дефектно-полиэдрического подхода, описывающего йэмене-i структуры аморфного металлического сплава как трансформации аневм-t дефектов такого^сплава, проведен анализ природы'аморфного состоя-i в металлических твердых телах; проведена оценка энергии упругих шкений в аморфных'металлических сплавах;- выявлены дефектные струк-зы, - являющиеся носителями пластической деформации в аморфных метал-іеских.сплавах; выявлены механизмы гомогенной и негомогенной пластинкой деформации в аморфных металлических сплавах; рассчитано напрядає (нёгомогенного) течения" в аморфных металлических сплавах.

Разработана новая (дефектно-полиэдрическая) модель-границ зерен
«еталлах. В рамках представлений дайной модели выявлено, что в об-
к случае носителями зернограничного скольжения являются зернограки-
« дислокаций с флуктуирующими векторами Бюргерса; а также предлс—
їо микроскопическое объяснение причин перехода грягош в позбужден-
,'"-' 5

ное состояние при сверхпластической деформации, ^первые разработаны модели, описывающие трансформации дефектных-структур, которые определяют микроскопические механизмы твердофазной.амарфизадии- при термооб.-работке, механическом сплавлении и высоких степенях.-пластической деформации. Предложен новий'механизм шастйческои.деформации '.в кристаллических материалах, связанный, с локальной, твердофазной амортизацией.

Впервые выявлен обший тергюдийаыинеский.:критерий эвоявции дефект
них структур в пластически дефорадру-емых тверд'ых.т'елах. Для объясне
ния наблюдаемых в экспериментах колебаний ;(«а пластической' деформа
ции) прочностных и" пластических свойств ГЦК-чЛетаМоа. .предложена tyc^-
дель, основанная на представлениях 0.ротационной неустойчивости пла'с-
. отческой деформации. ' ' - .-'.'.'' ' ' '.-'"'

Впервые предложена обшая топологическая, схема. описания неоднородных (дефектних) состояний общего аида'в моиофазкых и гетррофазнрх конденсированных средах. В рамках-данной схеми-вдавлены а исследовані новые .тихш топологически устойчивых Дефектных структур; и 'их- трансформаций в упорядоченных средах. Вчаотнре'ти,'вперйые'. найдена .топологическая классификация дефектов и солйтонов .'с. нетривиальными'ядрами, содержащими сингулярности, в двухфазных, упорядоченных средах! Впервы? вычислены топологические зарйды яетлєвьсх дефектов-::с нетривиальными ' (непрерывными,-и содержащими'сингулярности) .ядрами'в.-двухфазных упорядоченных средах и исследована их в'з'оадапреадаШёлйя.,;Найдены топологические законы трансформаций дефектных структур: сверхтекучего.³Дэ при-изменениях магнитного поля. Впервые '.виявлена' топологическая.'классификация новых типов трехфазных де$ейных-структур:-^нейнше и/лютлевых дефектов, содержащих" в'.своих едрах-шаровые'дефекте fla- оадовё- анало-. гии между калибровочными '-теоріиш 'вяемвняа'ррых; .частий Xупорядоченных сред с батьщш-числом', (высокой.дайтноств») дефектов'предсказана воз-могность сущейтв.овйкйя':ояобцх- г.оц6^бгичёсккх\возбуадёний;_'-. сулёрдефе^ ктов в -мвргодефветна» улоеточеіпшх средах.;Впервые- раэрабо'т.анз'.-с-бная схема описания, тбпслогстеска.вз^рпвЕаі^

полей в, тех.ёрсфагных - оисг;ай5с Хге?ерфз'аых кондансировйнных -у^брядсъ ченных средах 'е. тетеро^зіш? «всіемю? сай'є'й- іедентарнкх час гип>.' /В -. рамвд данной сХЫ.''пр^^зц|* в-йс'рйедрвз^:крйц9'_;т!шц тополоїдаес-аи 89хрвІ8Вальда\Ік^йіїї'^їЯЙ. &і^фріш^Ш^[іщ0і''пвт^'фнал^тащ, вятеподббннё; є.'йф^еМ$:'йрЩЩ^В^ -еф&Щфо>/4воіі^-й$рюс да'^о^і_

ва г&щфсіеш

чхо_% ,ар&оше>; .oC$sass$s^; ^І^Цїв^;.'s^osepjfijs:жъпфще^яьтх'-;.".

анных по; обнаружению шаровых мокополей. , .

Научная и практическая Ценность. Развитые в диссертации- предсгав-
ений могут быть ;_;: шроко использованы при постро-

иии теории пластической обработки, металличёсгаа материалов (прежде
cei*o, некристаллических}, создания материалов с высоким уровнем про-
ности и Іийстіинооти, в частнос-гя,. пр# создании пластичных квааикри-
аллических материалов. Полученные в раббте'результати утАубзші тео-і
ив дефектов в конденсированных средах, 'яйллидуюся ключом в понимании
рактичёски всех, структурно зависрайх^ свойств таких сред. Предложен
ие в' Дйсеертагии модели, микромездвії^в ївердофааной аморфизации мо-
ут. служить' научной ' основой разработки Зффйгаявных технологий тве-
дсфаэной й^рфязацЗД мёталлйескйх 'да?ер&бВ. ври термообраоЪтке.ме-
Вйическом оплавлении Е развитой йласіической ЬЩ&ттт^ Разработан-
ай модель пери'одичёских/трансфортцийі i^WHtot отруктур в дёформи--
уемнх.^^еталлах; может-быть' тедофз^ваівд-дам' предсказания, поведе-
йя ЩКНяеталлов при плабїйческой fle^pjstettoij .сбі^содожд&їшейся перио-
йческими' измєнешшіздфизжочтекаїшчвсюїх свойств. Выведенные в. дис-
ёртации новые типы: дефектных, структур,^.1мв^льтвтч;бвалиав их свойств
: трансформаций,- в также р'азработвйнае а даосёр^йтйй геометрические
ётоды (дефектно-полиэдрический; проекциоШї-тойологичебкйЙ, общий
опологический)описания^^ дефектнші^:.отйу^р;могуі найти широкое при-
;евёвие при;построенииПолной:теорик'^;хрдаенриредайвбго,,вепіебтва.ІІред-
оженный.в работа, новый Мехаі№.зм-.^гшіаотйческоготечения крисїалличес-
их, металлов (связанный Ь локальной тве|йо^энЬй амортизацией) может
лужить основой разработки .новых.технологий'висбкоскйроогиого Дефор- .
йровакия'. металлов. .''''--' '"' " "'.'-.'-^: -y."V^;.

..Геометрические методы оййоагам-дефектных структур и полученные.в иссертаций..результаты могут бытб'йспользовавы.в разделах курсов финки, твёйдого^тёла-и,физики' ъ-мвжщш :'ЫмяяякяЪ&* посвященных те-' рйй, дефектов.'' '': . i.'f-\:'" : / " '.'^:''' ' .

Достоверность результатов и- выводов диссертации определяется ис-ольэовакием корректных математических методов решения поставленных здачі различными^^ароверіаш.^0бо6яовайнрбті.я.оотр'с«н!мх .моделей сйус-овйенаях ..сфгветсттемэкспершенЦк'по исследование пластической ;ЄфЬр?/ацйи я кристаллизации¹ аморфных металлических- сйлйвов, изучению в#дофазной эморфизации,; наблюдению аномальной пластичности, меди при варке "взрывом, изучению.периодических трансформаций дефектных струк-ур вдеформируемых ЩС-мєталлах,-наблюдении'дефектных, структур в юнденсировпннійс'упорядоченных средах.

''" .'-.'-''.'.' 7

Основные материалы диссертации были получены в рамках исследований творческого молодежного коллектива "Теория;дефектов в твердых те-дах" Института про&іем машинозедешя РАН, _:-'

Основные, положения, представленные у радите.

1. Геометрическое: (полиэдрическое) описание дефектных структур и их трансформаций в аморфных металлических сплавах.и границах зерен металлов. '

2. Теоретическое описание аффективных механизмов пластической деформации в некристаллических (аморфных и хвааикрйсталлических) металлах, а также нового механизма пластического течения кристаллических металлов, связанного .о локальной твердофазной амортизацией.

3. Модели трансформаций дефектных структур, определявших, процессы твердофазной амортизации в ыеталдических материалах и эффект периодического изменения структурных характеристик деформируемые ГЦК-метал-лов. :__" '.." - ; '.'.-."'"', '". '.'""'."...- ";/

4. Результаты и разработка геометрической (общей топологичеокой и прадкцйоняо-тоиадогнческой) схема Океания дефектных структур и :их трансформациф в конденсированных уворядрченных средах.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуж
дались аа следующих коррекциях к семинарах: Всесоюзних семинарах
"Актуальные проблемы црочноети" (Ижевск^ 1984,1989, Тарту,- 1985,. Чере
повец, 1988); У Всесоюзной конференции '"аидкие кристаллы и их практи
ческое ^применение" (Иваново, 1986}} Семинаре "Роль дефектов в' физико-
ывханнческих свойствах «верднзе тед (Барнаул, 1986); Я,Ш,У Всесоюзных
семинарах 'Структурные аспекты локализации деформации; и разрушения" .
(Салтов, І986Д988, І^ада, І99ї>; Международйых конференциях "Сив-
хротронвое излучение* (Новосибирск, 1986,1988); ШВсесоюзном совеша-
нии по стеклообразному ррегояшш. (Ленвнград, 1986); П'.У:Всесоюзных
шеолах по фишке проздооти .и пааотячнроти _:(Салтов'; 1987,1990); Всесо
юзном семинаре по дифракционным метсідам EOMeflOBafmH искаженных стру
ктур (Череповец, I98S)f "ЕІйодаіа^йійааіре^;'"Амррфнце'металлы и сплавы"
(Донецк, 1988); І*Ш сеюікарах "Локализация пластической деформации и .
разрушения аморфных мегаллвческих сплавов" (Салтов, 1988, Юрмала,19Э1);
Всесоюзном семинаре: "Фиаико-технологические проблема поверхности ме
таллов" (Череповец. ! 19.88) j ЗЩ^^Вс«ео«зйй конференции "Физика прочно
сти' и пластичности металлов и оддавбв"-.(Куйбышев, 1989)|_Мёждународ-_
них конференциях' Ударное', сжатие конденсированного вещества" (США, .
1991) и ."Низкоэнергетические ковуотурации-дису/окаций'' (Швейцария,' .
1992); Международных семинарах."физика неупорядоченных систем"-(.Рос-
8 .".'-- ' ' '

сия, 1992) и "Граниш зерен-93" (Россия, 1993).

Публикации. По^:теме диссертации опубликованы- монография, 41 ста
тья в отечественных и международных изданиях, тезиси на перечислен
ных выше коніТеренциях и семинарах. Список основных публикаций при
веден в конце автореферата; ,

Структура и объем диссертации. Работа состоит из пятя глав, введения, заключения и приложений. Диссертация включает 262 стр. основного текста, 65 стр.рисунков, описок цитированной литератури содержит 41Е> наименований.