Высокоскоростная пластическая деформация мелкозернистых металлов Бородин, Илья Николаевич

Введение к работе

Актуальность проблемы. Построение теории, связывающей пластическую деформацию с эволюцией ансамбля дефектов в металле, остается актуальной задачей теоретической физики. Несмотря на большие успехи, достигнутые в описании динамики и кинетики отдельных видов дефектов [1,2], до сих пор не существует теоретической модели, описывающей процесс пластической деформации металла в широком диапазоне условий. Ситуация значительно усложняется при увеличении скорости деформации [3]. В настоящее время существуют различные подходы, применяемые для описания деформации металлов [4]. Классические модели описывают пластическое течение при помощи введения критериев пластичности [5]. Будучи независимыми от величины и скорости деформации, эти критерии дают большие расхождения с экспериментом в области высоких скоростей деформации. Большинство существующих моделей, учитывающих дефектную структуру материала [4], носят феноменологический характер и содержат не менее 5 эмпирически определяемых коэффициентов. Следствием этого является ограниченная область применимости данных моделей - большинство из них

С 1 "3 1

ориентированы на описание деформации при скоростях 10" с" -10 с" и не допускают прямого обобщения на случай более высоких скоростей деформации. Молекулярно-динамические моделирование [6-8] позволяет описывать деформации материалов с экстремально высокими скоростями,

о 1

превышающими 10 с" , которые в настоящее время редко реализуются экспериментально. Теоретических моделей, описывающих поведение материала при скоростях деформации 10⁴с"¹-10⁸с"¹, которые могут реализовываться при интенсивных воздействиях (высокоскоростной удар, взрыв, интенсивное лазерное, электронное и ионное облучение) на сегодняшний день явно недостаточно.

Металлы обычно представляют собой поликристаллы, состоящие из различно ориентированных зерен, разделенных границами с существенно разупорядоченной атомной структурой. При уменьшении размера зерна в металле до значений меньших 1 мкм в нем резко возрастает объемная доля границ зерен и их роль в пластической деформации материала. Такие металлы, обладающие особыми механическими свойствами, будем называть

мелкозернистыми. Торможение дислокаций границами зерен приводит к упрочнению мелкозернистого металла [1]. При этом появляются новые механизмы пластической деформации, связанные с деформацией вещества вдоль границ зерен [2]. Разработка теоретической модели, описывающей высокоскоростную деформацию поликристаллов в широком диапазоне размеров зерен и скоростей деформации, представляет фундаментальный научный интерес и является актуальной. С практической точки зрения, теоретический анализ пластической деформации поликристаллических металлов необходим для решения целого ряда технологических задач [9]. Цель работы: Работа направлена на теоретическое исследование пластической деформации металлов в широком диапазоне размеров зёрен и скоростей деформации.

Задачи диссертационной работы: 1) Разработка модели, описывающей поведение мелкозернистых металлов при высоких скоростях деформации. 2) Численное исследование высокоскоростной пластической деформации металлов в одномерной и двумерной геометрии. 3) Численное исследование зависимости динамического предела текучести металла от размера зерна и условий деформации. 4) Исследование эволюции структуры поликристаллических металлов при больших динамических деформациях. Объект и предмет исследования. Объектом исследования является металлическое тело конечных размеров, подвергаемое высокоскоростной пластической деформации. Предметом исследования является влияние дефектной подструктуры (границы зерен, дислокации) на процесс пластической деформации металла.

Достоверность результатов работы обеспечивается построением замкнутых математических моделей изучаемых процессов, использованием при этом стандартных подходов теоретической физики, а также верификацией результатов расчетов по экспериментальным данным и результатам моделирования других авторов.

Научная новизна и значимость результатов диссертационной работы состоит в том, что 1) предложена и протестирована оригинальная теоретическая модель пластической деформации металлов, применимая в широком диапазоне размеров зерен и скоростей деформации; 2) впервые обнаружен максимум сдвиговой прочности металлов в области размеров

зерен порядка сотни нанометров при скоростях деформации превышающих 10V¹; 3) впервые теоретически показано, что ультрамелкозернистые металлы наиболее устойчивы к откольному разрушению; 4) впервые проведено численное исследование динамического канального углового прессования с учетом эволюции дефектной структуры металла. Основные положения, выносимые на защиту:

1. Модель зернограничного проскальзывания, как альтернативного механизма пластической деформации мелкозернистых металлов.

2. Выражение для величины барьерного напряжения, необходимого для инициации зернограничного проскальзывания, полученное на основе модели упругой деформации зерен скользящих слоев. Данное выражение связывает величину барьерного напряжения с упругими постоянными металла и описывает его зависимость от размера зерна.

3. При высоких скоростях деформации (10⁶с"¹-10⁹с"¹) наблюдается максимум в зависимости динамического предела текучести от размеров зерна в области субмикрометровых размеров зерен, что обусловлено недостаточной скоростью роста плотности дислокаций в металле.

4. Наличие минимума в зависимости коэффициента затухания ударных волн от размера зерна в области субмикрокристаллических размеров зерен (100 нм-300 нм) и максимума - в области нанокристаллических размеров зерен (~10нм). Минимум обусловлен упругим характером распространения ударной волны в нанокристаллических металлах, максимум - сменой доминирующего механизма пластической деформации с дислокационного на зернограничный в области нанометровых размеров зерен.

5. При динамическом канальном угловом прессовании распространение ударной волны приводит к существенному увеличению плотности дефектов в металле, что должно способствовать подавлению двойникования.

Личный вклад автора. Участие в разработке модели динамической деформации мелкозернистых металлов. Построение оценки для коэффициентов модели. Разработка численной схемы для решения системы уравнений механики сплошной среды в двумерной цилиндрической геометрии. Численное исследование деформации мелкозернистых металлов

в одномерной и двумерной геометрии, включая верификацию модели. Анализ результатов и публикация материалов исследований. Финансовая поддержка. Отраженные в работе исследования проводились при поддержке: РФФИ (№ 09-08-00521); РФФИ-Урал (№ 07-08-96032); гранта Губернатора Челябинской области 2011 г.; гранта Фонда поддержки молодых ученых ЧелГУ 2012 г., а также финансировались в рамках тематического плана НИР ЧелГУ, проводимых по заданию Минобрнауки РФ 2011,2012 гг.

Практическая значимость результатов работы заключается в возможности прогнозирования результатов интенсивных динамических воздействий на металлы с различными размерами зерен, а также использования разработанной модели для выбора оптимальных параметров процесса создания объемных ультрамелкозернистых материалов методами сильной динамической деформации.

Апробация работы и публикации. Результаты, полученные в диссертации, докладывались и обсуждались на: XVI Зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 2009), X Международной конференции «Забабахинские научные чтения» (Снежинск, 2010), «XXIV International Conference - Interaction of Intensive Energy Fluxes with Matter» (Эльбрус, 2009), X-ths International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows» (Томск, 2010), «Деформация и разрушение материалов - 2011» (Москва, 2011), «XX Петербургские чтения по проблемам прочности» (Санкт-Петербург, 2012), XI Международной конференции «Забабахинские научные чтения» (Снежинск, 2012).

По теме диссертации опубликованы 4 статьи в журналах, включенных в перечень ВАК и приравненных к ним, в том числе 2 статьи в иностранных журналах, включенных в системы цитирования, 6 статей и тезисов в сборниках докладов всероссийских и международных конференций. Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложена на 170 страницах, содержит 57 иллюстраций, 3 таблицы и 1 приложение. Библиографический список состоит из 209 ссылок.