Особливості пластичної деформації та руйнування перехідних оцк металів у нанооб’ємі - Автореферат

Незважаючи на інтенсивні дослідження фізико-механічних властивостей нанокристалічних матеріалів, уявлення щодо фізичної природи міцності та пластичності цього класу матеріалів знаходяться, на сьогоднішній день, в зародковому стані. Основні уявлення щодо фізичної природи міцності та пластичності «звичайних» матеріалів були отримані на монокристалах. Метою роботи є сформулювати фізичні уявлення про закономірності атомних перебудов, що супроводжують пластичну деформацію та руйнування перехідних ОЦК металів на нанорівні, а також запропонувати кількісні критерії початку пластичної деформації та ініціювання руйнування на нанорівні. · Встановити закономірності впливу температури на величину критичного напруження переходу від пружних до пластичних деформацій в умовах всебічного рівномірного (гідростатичного) розтягу. · Дослідити закономірності атомних перебудов, які обумовлюють перехід від пружних до пластичних деформацій на нанорівні в умовах всебічного рівномірного розтягу.У вступі розкрито актуальність теми, визначено мету досліджень, основні завдання, описані методи, обєкт та предмет досліджень, визначено наукову новизну одержаних результатів, наведено дані щодо їх апробації та публікації. В межах цього підходу під граничним станом кристалічної структури розуміють втрату стабільності кристалічної гратки. При цьому розрізняють дві моди втрати стабільності, а саме: під дією розтягуючи напружень («тетрагональна» траєкторія), та під дією дотичних напружень («орторомбічна» траєкторія) (Рис. Відповідно, метали поділяються на крихкі та пластичні в залежності від того, на якій із траєкторій раніше наступає втрата стабільності гратки. Труднощі такого підходу полягають в тому, що для молібдена і заліза значення напружень та деформацій на цих двох траєкторіях практично співпадають, що не дозволяє розрізнити за якою модою буде відбуватися втрата стабільності кристалічної гратки в нанокристалі.Проте сам характер кривих має спільні риси: після монотонного зростання прикладених напружень та деформації до певних критичних величин, опір нанокристалу щодо розтягу різко падає і подальша його деформація відбувається вже при значно менших за пікове, значеннях прикладених напружень. Детальний аналіз картини атомних перебудов та силовий аналіз, показав, що перехід до пластичних деформацій при розтягу у напрямку [100] повязаний з локальною втратою стабільності кристалічної гратки, проте результатом нестабільності гратки є не порушення цілісності кристалу, як це мало б бути при реалізації «тетрагональної» траєкторії, а локальний зсув, що призводить до переорієнтації гратки з [100] до [110]. Завдяки локальному характеру втрати стабільності кристалічної гратки це призводить до того, що при досягненні локальної деформації 0,150 кристалічна гратка втрачає стабільність по відношенню до дії розтягуючи напружень. Вона полягає в тому, що в силу локального характеру втрати стабільності кристалічної гратки, навіть у найбільш крихких представників перехідних ОЦК металів (у яких критична деформація втрати стабільності на «тетрагональній» траєкторії менша за критичну деформацію на «орторомбічній» траєкторії), замість порушення цілісності, реалізується локальна зсувна нестабільність. Оскільки критичною подією є локальна зсувна нестабільність, то критерій переходу нанокристалів з пружного стану до пластичного можна сформулювати наступним чином: (4) де - величина локального дотичного напруження, що діє у напрямку s та площині n; - критичне напруження втрати стабільності кристалічної гратки при абсолютному нулі температури, тобто теоретична міцність на зсув, значення якої можна отримати шляхом ab-initio розрахунків.Перехід нанокристала від пружних до пластичних деформацій повязаний з явищем втрати стабільності кристалічної гратки, але, у відміну від однорідно деформованої ідеальної гратки, втрата стабільності відбувається не в усьому нанокристалі одночасно, а локально на окремій його ділянці, з наступним поширенням на весь обєм. Початок пластичної деформації на нанорівні, в умовах одновісного розтягу повязаний з явищем локальної зсувної нестабільності кристалічної гратки, що призводить до утворення дислокацій та двійників. При розтязі перехідних ОЦК - металів вздовж кристалографічного напрямку [100] закон Шміда не виконується, що проявляється у зменшені величини критичного напруження зсувної нестабільності при зростанні рівня нормальних розтягуючих напружень.

Основний зміст роботи

1. Перехід нанокристала від пружних до пластичних деформацій повязаний з явищем втрати стабільності кристалічної гратки, але, у відміну від однорідно деформованої ідеальної гратки, втрата стабільності відбувається не в усьому нанокристалі одночасно, а локально на окремій його ділянці, з наступним поширенням на весь обєм.

2. Початок пластичної деформації на нанорівні, в умовах одновісного розтягу повязаний з явищем локальної зсувної нестабільності кристалічної гратки, що призводить до утворення дислокацій та двійників. При цьому, у відмінність від монокристалів, критичною подією є не початок їх руху, а реалізація силових умов їх утворення.

3. При розтязі перехідних ОЦК - металів вздовж кристалографічного напрямку [100] закон Шміда не виконується, що проявляється у зменшені величини критичного напруження зсувної нестабільності при зростанні рівня нормальних розтягуючих напружень. При цьому максимальне відхилення спостерігається тоді, коли значення критичної деформації втрати стабільності кристалічної гратки під дією розтягуючих напружень, рівне, або дещо менше відповідної деформації зсувної нестабільності. У цьому випадку зсувна нестабільність ініціюється в умовах, коли незначна зміна нормальних напружень може суттєво впливати на взаємодію атомів, що належать до прилеглих площин зсуву.

4. Температурна залежність величини критичного напруження переходу від пружних до пластичних деформацій на нанорівні обумовлена флуктуаціями локальних дотичних напружень, які генеруються тепловими коливаннями атомів. При цьому слід підкреслити, що на відміну від класичних монокристалів, зменшення із зростанням температури обумовлене термічною активацією утворення дислокацій, а не активацією їх руху в гратці.

5. Особливість руйнування перехідних ОЦК - металів на нанорівні, полягає у тому, що при гранично низьких температурах (30К), та гранично жорстких умовах навантаження (гідростатичний розтяг), розрив атомних звязків та виникнення тріщин відбувається не на стадії однорідної пружної деформації кристалічної гратки, а реалізується лише після порушення регулярної структури кристала.

6. У нанокристалах ОЦК металів не спостерігається зкорельований (одночасний) розрив атомних звязків у певній площині, як це припускають існуючі моделі теоретичної міцності. Розрив атомних звязків носить флуктуаційний характер, а область у якій відбувається цей розрив завжди локалізована.

1. С.А. Котречко, Ю.А. Мешков, А.В. Филатов, А.В. Овсянников. Моделирование деформирования и разрушения нанокристаллов ОЦК-металлов. // Металлофиз. Новейшие технол. - 2004. - т. 26, №6, с. 841-850.

2. С.А. Котречко, А.В. Филатов, А.В. Овсянников. Особенности пластической деформации нанокристаллов молибдена. // Металлофиз. Новейшие технол. - 2004. - т. 26, №11, с. 1475.

3. С.А. Котречко, Ю.А. Мешков, А.В. Филатов, А.В. Овсянников. Деформация и разрушение нанокристаллов ОЦК-металлов. // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології. - 2004. - т. 2, №1, с. 227-243.

4. S.A. Kotrechko, A.V. Filatov and A.V. Ovsjannikov. Molecular dynamics simulation of deformation and failure of nanocrystals of bcc metals. // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. - V.45, Issue 2, April 2006, Pages 92-99.

Размещено на .ru