Динамика дислокаций в щелочно-галоидных кристаллах при наложении ультразвука - Автореферат

Работа выполнена в Калужском филиале государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Поэтому выяснение причин и механизмов, вызывающих изменения пластических свойств кристаллов под влиянием высокочастотной вибрации ультразвукового диапазона частот, остается фундаментальной задачей физики конденсированных сред и в тоже время имеет большое прикладное значение. Избирательное травление позволяет установить только начальное и конечное состояния системы дислокаций. Для достижения этих целей предстояло решить следующие задачи: Разработать физическую модель и методику моделирования механизмов и процессов, обуславливающих акустопластический эффект, используя строгий динамический подход, основывающийся на решении уравнения движения с учетом поля сил взаимодействия дислокаций и самодействия, а также гибкости скользящих дислокаций и влияния полей, обусловленных внешним нагружением. Достоверность полученных результатов обеспечена детальным рассмотрением физических явлений и процессов, связанных с воздействием ультразвука на кристаллы с дефектами, что позволило создать оригинальные математические модели, реализующие новые подходы к количественному и качественному описанию дислокационных процессов, в присутствии ультразвукового поля и в значительной степени тем, что результаты моделирования совпадают с результатами натурных экспериментов, выполненных другими авторами.Считалось, что пробная дислокации открепляется от препятствий в том случае, когда угол между соседними сегментами дислокации становится меньше 10о или когда дислокация огибает группу дислокаций леса так, что две ее различные дуги касаются друг друга. Рассматривается условие сложнонагруженного состояния образца, такое, что на дислокацию, движущуюся в плоскости легкого скольжения, действует постоянная сила, а на дислокации леса действует сила, изменяющаяся во времени по гармоническому закону. Построение равновесной конфигурации скользящей дислокации при фиксированных значениях и проводилось при строгом учете дальнодействующих полей внутренних напряжений, создаваемых дислокациями леса с учетом ориентирующего действия, которое дислокации леса оказывают на скользящую дислокацию в окрестностях особых точек их пересечения. Нахождение предельного для рассматриваемого участка скользящей дислокации между двумя соседними препятствиями вдоль скользящей дислокации проводилось методом постепенного увеличения уровня внешнего напряжения сдвига путем перехода от к вплоть до предельного значения , при котором равновесные конфигурации рассматриваемого i-того участка между двумя препятствиями вдоль скользящей дислокации оказываются все еще возможными для моментов времени, отвечающих различным значениям фазы колеблющихся дислокаций леса из интервала значений . Сила, действующая на дислокацию леса, бралась как сумма сил парного взаимодействия и определялась по формуле: . сила взаимодействия i-ой и j-ой дислокации леса, где x - расстояние между дислокациями по плоскости «легкого скольжения», h - расстояние между соответствующими плоскостями «легкого скольжения».Основное внимание в диссертации уделено двум механизмам, ответственным за изменение пластических свойств материалов в ультразвуковом поле, а именно: размножению дислокаций по механизму Франка-Рида и прохождению дислокации через колеблющийся лес, при этом впервые учитывается возможность влияния ультразвука и на скользящую дислокацию, и на дислокации леса. Впервые показано, что в ультразвуковом поле формируется система субграниц, каждая из которых образована дислокациями одного знака, но при этом любые две соседние субграницы образованы дислокациями другого знака. Моделирование скольжения дислокаций через дислокационный лес колеблющихся дислокаций в кристаллах с ГПУ структурой // Кристаллография. Моделирование движения дислокаций через колеблющийся дислокационный лес в кристаллах NACL // Структура дислокаций и механические свойства металлов и сплавов: Материалы IV Всесоюзного семинара. Моделирование движения дислокаций через лес колеблющихся дислокаций с учетом дальнодействующих полей напряжений в кристаллах с решеткой NACL // Кристаллография.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Методом математического моделирования детально изучены механизмы влияния ультразвука на эволюцию дислокационной структуры и вызванные ею изменения физических свойств материалов. Рассмотрено влияние ультразвука на процесс взаимодействия дислокаций различных систем. Впервые исследованы дислокационные взаимодействия в ультразвуковом поле с использованием уравнений динамики дислокаций. Проведено сравнение результатов, полученных в приближении квазистатической и динамической моделей. Применение динамического подхода позволило установить новые явления и получить более точные количественные оценки эффектам, ранее рассматривавшимся в квазистатическом приближении. Так, например, впервые рассмотрена генерация дислокаций источниками Франка-Рида, концы которых совершают вынужденные колебания, что потребовало учета фазовых соотношений. Основное внимание в диссертации уделено двум механизмам, ответственным за изменение пластических свойств материалов в ультразвуковом поле, а именно: размножению дислокаций по механизму Франка-Рида и прохождению дислокации через колеблющийся лес, при этом впервые учитывается возможность влияния ультразвука и на скользящую дислокацию, и на дислокации леса. Полученные в работе данные моделирования совпали с экспериментальными данными других авторов и объяснили многие ранее известные экспериментальные результаты, что дает основание использовать их для прогнозирования поведения реальных материалов в условиях их эксплуатации.

На основании полученных результатов и их анализа могут быть сделаны следующие выводы: Ультразвуковое воздействие на неупорядоченные дислокационные ансамбли приводит к перераспределению дислокаций, в результате которого формируются упорядоченные динамические дислокационные структуры - диполи, мультиполи и дислокационные стенки. В совокупности наблюдавшиеся элементарные процессы интерпретируются как самоорганизация дислокационной подсистемы (полигонизация, образование ячеистой структуры).

Самоорганизация дислокационной подсистемы приводит к достижению состояния, в котором суммарная доля дислокаций, вошедших в упорядоченные дислокационные структуры, не изменяется. Время достижения этого состояния имеет порядок 102 периодов и зависит и от частоты, и от амплитуды ультразвука.

Впервые показано, что в ультразвуковом поле формируется система субграниц, каждая из которых образована дислокациями одного знака, но при этом любые две соседние субграницы образованы дислокациями другого знака.

В границах блоков, сформировавшихся в ультразвуковом поле, дислокации не лежат в одной плоскости, и границы имеют тонкую структуру, т.е. содержат дислокационные диполи и мультиполи. Этим они отличаются от дислокационных стенок, формирующихся при отжиге в отсутствие ультразвукового поля.

Наложение ультразвукового поля запускает процесс размножения дислокаций по двум каналам. Одним из каналов является активация источников Франка-Рида, но при этом благодаря действию ультразвука активация каждого данного источника происходит при меньшем значении постоянного напряжения сдвига (эффект ультразвука сводится к действию спускового механизма). Вторым каналом является увеличение числа источников Франка-Рида.

Прохождение скользящей дислокации сквозь дислокации леса в условиях наложения ультразвукового поля может давать в результате либо упрочнение, либо пластифицирование материала. Знак эффекта определяется соотношением фаз колебаний скользящей дислокации и дислокаций леса.

В случае колебания дислокаций леса по гармоническому закону, напряжение, необходимое для продвижения скользящей дислокации через единичную площадку, понижается и может составить лишь 60% от величины напряжения, необходимого для прохождения дислокации сквозь лес неподвижных дислокаций.

Совокупность данных, полученных в результате проведения компьютерных экспериментов, показывает, что при динамическом подходе удается учитывать временные зависимости (эффекты вязкости) и частоту ультразвука. Это позволит использовать эти результаты на предприятиях, применяющих ультразвук при получении лент и проволок из непластичных материалов, например, ОАО «Биметалл» и ЗАО «Аметист-Стан». При квазистатическом подходе указанные эффекты обеспечить невозможно.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Дегтярев В.Т., Логинов Б.М. Исследование влияния тонкой структуры дальнодействующих полей напряжений ансамбля колеблющихся дислокаций на характеристики процесса прохождения скользящих дислокаций // ВИНИТИ. - 1985. - №7043-В. - 48 с.

2. Дегтярев В.Т., Логинов Б.М., Тяпунина Н.А. Исследование зависимости характеристик процесса движения скользящих дислокаций через ансамбль колеблющихся дислокаций от величины амплитуды колебаний // ВИНИТИ. - 1986. - №1217-Д. - 55 с.

3. Дегтярев В.Т., Логинов Б.М., Еремеев А.В. Исследование зависимости разупрочнения дислокационных ансамблей от амплитуды периодической нагрузки // Физика прочности и пластичности металлов и сплавов: Материалы XI Всесоюзной конференции. - Куйбышев, 1986. - С.201.

4. Дегтярев В.Т., Логинов Б.М., Тяпунина Н.А. Моделирование скольжения дислокаций через дислокационный лес колеблющихся дислокаций в кристаллах с ГПУ структурой // Кристаллография. - 1987. - Т.32, №4. - С.967-971.

5. Дегтярев В.Т., Логинов Б.М. Моделирование движения дислокаций через колеблющийся дислокационный лес в кристаллах NACL // Структура дислокаций и механические свойства металлов и сплавов: Материалы IV Всесоюзного семинара. - Свердловск, 1987. - С.52-53.

6. Дегтярев В.Т., Логинов Б.М. Моделирование движения дислокаций через колеблющийся лес дислокаций с учетом дальнодействующих полей напряжений в кристаллах с гексагональной плотноупакованной решеткой // Физика металлов и металловедение. - 1987. - Т.64, №3. - С.608-610.

7. Дегтярев В.Т., Логинов Б.М., Еремеев А.В. Зависимость статистических характеристик процессов движения скользящих дислокаций через дислокационные ансамбли от параметров площадки моделирования // Моделирование на ЭВМ дефектов в кристаллах. - Л.: ФТИ АН СССР,1988. - С.50-55.

8. Математическое моделирование процессов движения линейных дефектов в ГПУ монокристаллах в условиях действия периодической нагрузки / В.Т. Дегтярев, Б.М. Логинов, А.В. Еремеев, В.Р. Туганов // Техническая кибернетика, математика, вычислительная техника: Материалы 33 Международного коллоквиума. - Ильменау (ГДР): РС1, 1988. - С.63-66.

9. Дегтярев В.Т., Логинов Б.М., Тяпунина Н.А. Моделирование движения дислокаций через лес колеблющихся дислокаций с учетом дальнодействующих полей напряжений в кристаллах с решеткой NACL // Кристаллография. - 1988. - Т.33, №1. - С.163-166.

10. Моделирование процессов движения дислокаций через ансамбли колеблющихся дислокаций / В.Т. Дегтярев, Б.М. Логинов, А.В. Еремеев, Н.А. Тяпунина // Пластическая деформация материалов в условиях внешних энергетических воздействий: Материалы IX семинара. - Новокузнецк, 1988. - С.27-28.

11. Дегтярев В.Т., Логинов Б.М., Еремеев А.В. Исследование влияния параметров площадки моделирования на статистические характеристики процессов движения скользящих дислокаций через хаотические дислокационные ансамбли // ВИНИТИ. - 1989. - № 2358-В89. -25с.

12. Дегтярев В.Т., Логинов Б.М. Исследование процессов прохождения скользящей дислокации через ансамбль хаотически распределенных призматических дислокационных петель, подверженных воздействию периодической нагрузки // ВИНИТИ. - 1989. - №620-В89. - 20с.

13. Degtyarev V.T., Loginov В.М., Shvedov R.N. Computer simulation of the glide dislocation movement through chaotic ensembles of prismatic dislocation loops under complex loading conditions // Modelling, measurement & control. - 1994. - Vol. 56, N 3. - P. 9-20.

14. Дегтярев В.Т., Логинов Б.М., Ямпольский В.И. Анализ дефектной структуры кристаллов на основе моделирования процессов комплексного нагружения // 165 лет МГТУ им. Н.Э. Баумана: Материалы НТК. - Калуга, 1995. - Ч. 1. - С.91.

15. Акустопластический эффект, обусловленный взаимодействием дислокаций / В.Т. Дегтярев, А.Ю. Лосев, Ф.А. Плотников, Н.А. Тяпунина // Imperfection interaction and anelasticity phenomena in solids (IIAPS - 10): Материалы X Международной научно-практической конференции. - Тула, 2001. - С. 34.

16. Влияние колебаний лесных дислокаций на движение скользящей дислокации / В.Т. Дегтярев, А.Ю. Лосев, Ф.А. Плотников, Н.А. Тяпунина // Дефекты структуры и прочность кристаллов: Материалы Всероссийской конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика Г.В. Курдюмова. - Черноголовка, 2002. - С. 235.

17. Дегтярев В.Т. Самоорганизация дислокационных ансамблей в ультразвуковом поле // Материалы электронной техники. Известия ВУЗОВ. - 2004. - №1. - С. 34-37.

18. Дегтярев В.Т., Лосев А.Ю. Динамические дислокационные структуры в ультразвуковом поле // Актуальные проблемы прочности: Сборник трудов XLII Международной конференции. - Калуга, 2004. - С. 135.

19. Пластификация кристаллов ультразвуком, обусловленная взаимодействием дислокаций / В.Т. Дегтярев, А.Ю. Лосев, Ф.А. Плотников, Н.А. Тяпунина // Известия Тульского государственного университета. Сер. Физика. - Тула, 2003. - Вып. 3. - С. 3-10.

20. Полигонизация в ультразвуковом поле / В.Т. Дегтярев, А.Ю. Лосев, Ф.А. Плотников, Н.А. Тяпунина // Известия РАН. Сер. Физическая. - 2004. - Т. 68, №10. - С. 1516-1517.

21. Дегтярев В.Т., Лосев А.Ю., Плотников Ф.А. Динамические дислокационные структуры в ультразвуковом поле: диполи и триполи // Материаловедение. - 2004. - №7. - С. 8-12.

22. Дегтярев В.Т., Лосев А.Ю., Тяпунина Н.А. Влияние ультразвука на процесс генерации дислокаций источником Франка-Рида // Деформация и разрушение материалов. - 2005. - №3. - С 18-21.

23. Дегтярев В.Т., Лосев А.Ю., Плотников Ф.А. Перераспределение неупорядоченных дислокационных ансамблей в ультразвуковом поле // Наукоемкие технологии. - 2005. - № 3-4, т. 6. - С. 5-8.

24. Акустопластический эффект и факторы на него влияющие / В.Т. Дегтярев, А.Ю. Лосев, Ф.А. Плотников, Н.А. Тяпунина // Деформация и разрушение материалов. - 2005. - №7. - С 23-27.

25. Дегтярев В.Т., Лосев А.Ю. Моделирование генерации дислокаций источником Франка-Рида в условиях акустопластического эффекта // Актуальные проблемы прочности: Материалы XLIV международной конференции. - Вологда, 2005. - С.61.

26. Дегтярев В.Т., Лосев А.Ю. Процессы, сопровождающие акустопластический эффект // Актуальные проблемы прочности: Материалы XLIV международной конференции. - Вологда, 2005. - С.62.

27. Самоорганизация дислокаций в ультразвуковом поле / Г.В. Бушуева, Г.М. Зиненкова, Н.А. Тяпунина, В.Т. Дегтярев // Кристаллофизика 21-го века: Материалы докладов Третьей международной конференции. - Черноголовка, 2006. - С.123.

28. Дегтярев В.Т. Изменение пластических свойств материалов в ультразвуковом поле // Наукоемкие технологии. - 2006. - Т. 6, № 9. - С. 51-52.

29. Дегтярев В.Т. Моделирование процессов прохождения скользящих дислокаций через ансамбли колеблющихся дислокаций // Наукоемкие технологии. - 2007. - Т.6, № 1. - С. 34-37.

30. Дегтярев В.Т. О возможных механизмах акустопластического эффекта // Доклады РАН. - 2007. - Т. 414, №1. - С.28-29.

Размещено на .ru