Исследование нелинейного отклика в твердом теле на атомном уровне при высокоскоростном нагружении тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

САРАЕВ Денис Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНОГО ОТКЛИКА В ТВЁРДОМ ТЕЛЕ НА АТОМНОМ УРОВНЕ ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОМ НАГРУЖЕНИИ

Специальность 01.04.07 — «Физика твердого тела»

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Томск - 1998

Работа выполнена в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН и Томском государственном университете

Научные руководители:

доктор физико-математических наук Псахье С.Г. кандидат физико-математических наук ст.н.с. Зольников К. П.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Скрипняк В, А.

доктор физико-математических наук ст.н.с. Наумов И.И.

Ведущая организация:

Институт теоретической и прикладной механики СО РАН, г.Новосибирск

Защита состоится 27 февраля 1998г. в 1600 часов на заседании диссертационного совета Д 003.6101 при Институте физики прочности и материаловедения СО РАН по адресу:

634021, Томск, пр. Академический, 2/1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФПМ СО РАН.

Отзывы на автореферат, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять по указанному адресу в двух экземплярах не позднее, чем за две недели до защиты.

Автореферат разослан 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профео

Кульков С.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Компьютерное исследование процессов, происходящих на микроскопическом уровне в условиях экстремальных внешних воздействий, имеет важное начно-практическое значение, так как ведет к углублению понимания о закономерностях поведения материала на атомном уровне и позволяет более эффективно решать задачи, связанные с компьютерным конструированием материалов.

Математическое (компьютерное) моделирование поведения материалов под воздействием различных внешних факторов (температурного, механического нагружения, радиационного облучения, воздействия высокоэнергетическими электронными пучками и т.д.) получает в последние годы всё более широкое распространение. Это связано с одной стороны с усиливающимися практическими потребностями науки и техники в новых перспективных материалах, с другой стороны с колоссально быстрым развитием компьютерной техники. Подавляющее большинство работ по компьютерному моделированию посвящено решению прямой задачи, то есть каким образом меняются эксплутационные характеристики материала в условиях внешних воздействий различной природы.

Как правило, при решении подобных задач на микроскопическом уроэне в материаловедении используется метод молекулярной динамики Данный метод основан на решении уравнений движения частиц (атомов), взаимодействие между которыми задаете!, по заранее определенному закону. Спектр приложений этого метода к решению научных задач достаточно широк, и в частности, он может быть успешно применен к изучению поведения материалов под воздействием высокоэнергетических воздействий.

Кроме того методы компьютерного моделирования, основанные на приложении метода молекулярной динамики, позволяют вскрыть атомные механизмы, отвечающие за проявление тех или иных закономерностей материала в условиях нагружения, и проследить за изменением свойств материала в динамике. Учитывая микроскопический размер исследуемых объектов (десятки ангстрем), короткие временные отрезки наблюдения за изучаемой системой (наносекунды или доли наносекунд), а также сложную систему внешнего нагружения, результаты компьютерного моделирования порой являются единственным источником детальной информации о поведении материала на микроуровне. Особенно это относится к изучению нелинейных эффектов, которые, как правило, сопровождают или даже определяют процессы,

инициированные высокоэнергетическими воздействиями. Проведение подобных

исследований представляется актуальным и имеет существенное значение как с

научной точки зрения, так и с точки зрения возможных практических приложений.

Цель и задачи работы. Цепью работы явилось изучение нелинейного

отклика в твердом теле на атомном уровне при высокоскоростном нагружении.

В связи с этим были поставлены и решены следующие задачи:

1. Исследовать закономерности развития возмущений, формирующихся при импульсном локальном термическом воздействии.

2. Изучить характерные особенности нелинейного отклика твёрдого тела на высокоскоростное механическое нагружение в трехмерном случае.

3. Исследовать взаимодействие нелинейных возмущений, инициированных высокоэнергетическими внешними воздействиями, с дефектами структуры материала.

4. Провести компьютерное исследование особенностей отклика материала в области границы зерен в условиях высокоскоростного нагружения.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Формирование солитонообразных уединенных волн в одномерных цепочках атомов при импульсном локальном термическом воздействии.

2. Различные способы генерации солитоноподобных импульсов в ЗЭ кристаллите при высокоскоростном нагружении и особенности их взаимодействия с дефектами структуры.

3. Формирование тепловых пятен в материалах при импульсном высокоскоростном воздействии.

4. Результаты моделирования структурных изменений межзеренных областей в процессе высокоскоростного сдвигового нагружения.

Научная новизна работы заключается в том, что:

• впервые обнаружено, что при импульсном локальном термическом воздействии в одномерном случае формируются солитоноподобные уединенные волны;

• впервые показано, что в трёхмерном кристаллите при высокоэнергетическом импульсном воздействии могут формироваться два типа солитонообразных уединенных импульсов; изучен характер их взаимодействия друг с другом и дефектами структуры;

• обнаружена возможность генерации тепловых пятен в областях материала с вакансионными кластерами как результат импульсного высокоскоростного воздействия на материал;

• исследован характер динамических струетурных изменений в зернограничной области при воздействии на материал высокоскоростного сдвига.

Практическая ценность.

Исследования, проведенные в диссертационной работе, расширяют наши представления об особенностях нелинейного отклика материалов на микроуровне в условиях высокоскоростного воздействия. Полученные результаты вскрывают атомные механизмы таких процессов как локальный температурный разогрев, структурные перестройки в межзеренных областях, происходящих под воздействием нагружения. Результаты исследований условий генерации тепловых пятен позволяют глубже понять физическую природу твердофазных химических реакций и механического смешивания компонент материала при высокоскоростном нагружении. Характерные особенности взаимодействия уединенных импульсов с дефектами структуры представляют интерес для задач неразрушающего контроля, связанных с анализом качества нанесения покрытий и получением информации о накоплении дефектов.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на следующих конференциях, семинарах и совещаниях: "High Power Lasers - Science and Engineering" (Карловы Вары, Чехия, 1995), Int. Conf. on Metallurgical and Materials Applications of Shock-Wave and High-Strain-Rate Phenomena (El Paso, Texas, USA, EXPLOMET 1995), «Computer-Aided Design of Advanced Materials and Technologies — CADAMT» (Байкальск, 1997), "Новые численные методы упругости и пластичности" (Новосибирск, 1997)

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержит 32 рисунка, библиографический список из 105 наименований - всего 128 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, сформулирована цель работы, перечислены новые результаты, раскрыта их практическая ценность, представлены положения, выносимые на защиту, описана структура диссертации.

В первой главе проведен обзор подходов, использующих концепцию взаимодействующих частиц - метод Монте-Карло и метод молекулярной динамики. Отмечены преимущества последнего для решения динамических задач, связанных с исследованием отклика материала в условиях высокоскоростного внешнего воздействия. Обсуждена область применимости

метода молекулярной динамики и дан краткий обзор работ, использующих данный подход для решения различного круга задач.

Во второй главе описываются нелинейные эффекты, которые возникают в материале, находящемся в условиях внешнего высокоэнергетического воздействия, на примере использования одномерных моделей. Показано, что при распространении ударной волны в материале ее фронт является нестационарным и представляет собой набор уединенных импульсов - солитонов. С целью более корректного моделирования материалов, находящихся при комнатных и высоких температурах, а также для имитации внешнего шума среды в работе введены так называемые стохастические граничные условия. Суть данных граничных условий заключается в том, что атомам, находящимся в граничном слое, задаются случайные смещения из положения равновесия с помощью нормального закона распределения. Величина этих смещений определяется как: Ах" =УсрДГ, где Усг- средняя скорость атомов расчетной

ячейки на шаге Д/". Также здесь накладывается ограничение на движение атомов в граничном слое. Каждый из них окружается сферой, пределы которой он не может покидать. Эта сфера определяется в расчетах с периодическими граничными условиями как средняя величина функции среднеквадратичного смещения от времени. Проведенные расчеты показали, что стохастические граничные условия являются пригодными для моделирования ударных волн в цепочках атомов при высоких температурах.

Наряду с ударно-волновым воздействием существует много способов теплового нагружения материалов, например, воздействие потоками частиц различной природы. Такое воздействие может вызвать интенсивный разогрев в локальной области материала. Общие закономерности распространения таких возмущений по аналогии с ударными волнами изучались на основе использования одномерных моделей.

С этой целью в начальный момент времени в одномерной решетке алюминия задавалась локальная область с высокой температурой 3000К. Интенсивный локальный разогрев привел к резкому тепловому расширению этой области и как следствие инициировал в среде волну возмущения.

Характер распространения возмущения в такой системе показан на рис.1. Из рис.1 видно, что распространение возмущения имеет фронтальный вид с выраженными пиками, которые движутся со скоростью большей, чем основное возмущение. Эволюцию распространения возмущения в системе можно

проследить, рассматривая зависимости скоростей от времени для различных атомов У,(0, (рис.2). Из рис.2а хорошо видно как начинают формироваться

о.оооэо

-0.00050

200 400 600

питпЬег о/ а£ош , г

800

Рис.1 Распределение скоростей в цепочке атомов алюминия в момент времени 1=105а.е.

500

- 150 атом

---- 163 атом

700

900, 1100

€/ГОО,а.е

1300 1500

- 300 атом

и---- 303 атох

1400 1600

1/Ю0,а,е

ООО

и, о.«юз _ й Ц ^¡.ооог

0.0001

о.оооа

5000

— 450 атом

— 453 атом

5400

. 5800

ТОО, а. е

6200

Рис.2 Зависимости скоростей а) 150-го и 153-го; б) 200-го и 203-го; в) 450-го и 453-го атомов от времен.

уединенные волны. На графике Ут2Ю (0 (рис.2б) видно, что уединенная волна с

большей амплитудой догоняет и начинает проходить через другую с меньшей амплитудой. И на графике V4S0 4S3 (t) (рис.2в) хорошо видно, что уединенная волна с большей амплитудой прошла через уединенную волну с меньшей амплитудой и затем восстановила свою форму и амплитуду. Характерно, что обе уединенные волны значительно оторвались от основного возмущения. Это дает основание полагать, что уединенные волны, которые формируются при импульсном локальном разогреве, по своим свойствам подобны солитонам. Результаты моделирования показали, что существует определенная общность между распространением фронта ударной волны в нелинейной среде и распространением фронта возмущения, обусловленного локальным импульсным разогревом. В обоих случаях передняя часть фронта представляет собой набор уединенных импульсов. Однако поведение возмущений, следующих за фронтом, различается. Так в случае ударной волны за уединенными волнами следует волна сжатия, в случае же импульсного локального разогрева вместо волн сжатия распространяется тепловой фон.

В третьей главе показаны особенности нелинейного отклика трехмерных материалов при высокоскоростном нагружен т. Сначала исследовалось поведение идеальных материалов.

Рассматривался трехмерный кристаллит алюминия, содержащий около 9000 атомов. Расчеты проводились на основе метода молекулярной динамики с использованием программного комплекса «MONSTER-MD». Координатные оси были направлены:

OZ - вдоль [111], OY - вдоль [21 1], ОХ-вдоль [011] (1)

В направлениях OY и OZ использованы периодические граничные условия, а на гранях перпендикулярных ОХ задавались условия в виде:

1) для сжатия:

V.=Vy=0, Vlx=Vx- Vxr=V2> (2)

2) для сдвигового нагружения:

v2=vx=0, v;=v2; (3)

(где V'- составляющая скорости на левом краю образца; V - составляющая скорости на правом краю образца; Vi и V2 изменялись в интервале от 0 до 2000м/с). Для того чтобы уменьшить влияние жестких границ образец был вытянут вдоль оси ОХ. Размеры исследуемого образца вдоль оси ОХ составляли: - 370а.е., вдоль оси OY: -65а.е., вдоль оси OZ: - 40а.е. Для удобства расчетов

использовалась атомная система единиц, в которой Боровский радиус, постоянная Планка, масса и заряд электрона равны 1. Величина шага интегрирования уравнений движения составляла 100 а.е. времени (2.42*10"15 сек). Потенциал эффективного парного взаимодействия вычислялся на основе теории псевдопотенциала.

В результате сдвигового нагружения образца в течение 40 временных шагов в образце формировался ряд уединенных волн, распространяющихся от источника генерации вглубь образца. Эти волны можно условно разделить на два класса. Амплитуды первого из них имеют только Х-составляющую скорости и характеризуются более высокой скоростью распространения вдоль образца. Среди этого класса можно выделить волны нагрузки (Х-составляющая скорости положительна) и волну разгрузки (Х-составляющая скорости отрицательна). Эти волны можно рассматривать как некоторый аналог упругого предвестника. Скорость их распространения приблизительно 7000м/с (близка к скорости звука). Уединенные волны второго класса распространяются с существенно меньшей скоростью (» 4000м/с). Они характеризуются значительно большей амплитудой и имеют х,у и г компоненты скоростей.

Моделирование поведения образца с идеальной структурой в условиях высокоскоростного сжатия отличается от его поведения в условиях сдвигового нагружения. В частности, при сжатии уединенные импульсы второго класса не инициируются. Кроме того, сформировавшиеся уединенные волны движутся вдоль образца с такой же скоростью, что и уединенные импульсы 1-го класса при сдвиговом нагружении и имеют только одну компоненту скорости. Они также как и уединенные волны, формирующиеся при сдвиге, полностью восстанавливают свою форму после взаимодействия друг с другом.

Несмотря на то, что амплитуда уединенных импульсов зависит от внешнего начального воздействия на материал, результаты моделирования показали, что такие параметры как форма импульсов, скорость распространения в материале не зависят от внешнего энергетического воздействия, а определяются параметрами самого материала (в частности, структурой и потенциалом межчастичного взаимодействия).

В работе исследовалось каким образом обнаруженные уединенные волны взаимодействуют с дефектами структуры. Исследования проводились для различных дефектов структуры. Сначала рассматривалось взаимодействие с вакансионными комплексами.

Моделирование проводилось для трехмерного кристаллита алюминия, содержащего два вакансионных комплекса, каждый из которых представлял собой тетраэдр в условиях сдвиговых нагружений 150,170, 200, 250, 300 м/с.

Особенности прохождения уединенного импульса, инициированного сдвигом 200м/с, через образец, содержащий вакансионный комплекс, приведены на рис.3. На рис.За показан сформированный уединенный импульс в начальный момент времени. Искажение гребня импульса в результате его взаимодействия с вакансионным комплексом приведен на рис. 36. После прохождения импульсом дефектной области там начинает возникать тепловое пятно. Момент его зарождения показан на рис.Зв. Тепловое пятно представляет собой ансамбль атомов, средняя кинетическая энергия которых значительно превышает среднюю кинетическую энергию по образцу, а время его жизни больше, чем период одной атомной осцилляции. Локальная температура дефектной области начинает возрастать и в некоторый момент времени достигает максимального значения (рис.Зг). После достижения максимального значения температура теплового пятна начинает понижаться и пятно "расплывается" по образцу, отдавая свою кинетическую энергию близлежащим атомам.

Рис.3 Распределение абсолютных значений скоростей атомов в плоскости ХУ при сдвиге I/у-Ю'4а.е.; шаги а) 100; б) 250; в) 700; г) 750.

Проведенные исследования показали, что время возникновения тепловых пятен, продолжительность их существования и величина их локального разогрева непосредственно связаны с величиной нагружения и, как следствие, с амплитудой уединенных импульсов. Так для сдвиговых нагружений 150, 170, 200, 250 и 300 м/с тепловые пятна возникали в следующие моменты времени: 800 А? ; 725 Лí , 675 Д t , 500 А ? и 350 А ( , соответственно. Продолжительность жизни тепловых пятен в зависимости от данных величин нагружения составила 2400 Л ? , 1600 АI , 1350 Л/ ,1250 Л ? и ЮООА/ , а их локальная температура в моменты наибольшего разогрева была: 370К, 590К, 630К, 560Ки 1230К.

Характер взаимодействия уединенных импульсов, инициированных сжатием, с вакансионными комплексами может существенно отличаться. В частности, время возникновения, продолжительность жизни теплового пятна и его локальная температура будут отличаться от случая сдвигового нагружения. Так образование теплового пятна не происходит при сжатии со скоростью 200 м/с и менее. Параметры теплового пятна при сжатии образца со скоростью 300м/с были следующие: время образования - 300Д1 а.е.; продолжительность жизни -600Д1 а.е.; локальная температура в момент наибольшего разогрева - 1300К.

Следует отметить, что для случая сдвигового нагружения со скоростью 100м/с и менее тепловое пятно не образуется. Это означает, что для образования теплового пятна амплитуда солитонообразных волн должна превышать некоторое пороговое значение. Это пороговое значение, как показали исследования, во многом зависит от конфигурации дефектной области. Природа возникновения тепловых пятен связана с высвобождением упругой энергии, запасенной в области дефекта. При этом их возникновение и развитие сопровождается структурными перестройками в этой области. В процессе структурной перестройки, скорости смещения отдельных атомов могут достигать очень больших значений (я 1000м/с).

Таким образом было обнаружено, что в материалах с дефектами структуры в условиях высокоэнергетического воздействия могут формироваться тепловые пятна. Их образование может оказывать значительное влияние на физико-химические процессы в материале. Проблема тепловых пятен является весьма важной, в частности, при изучении особенностей возникновения и протекания твердофазных химических реакций.

В следующем параграфе исследовалось, каким образом диполь, состоящий из вакансии и межузельного атома, взаимодействует с вакансионным комплексом, находящимся в непосредственной близости от него.

Моделирование проводилось для трехмерного кристаллита алюминия, содержащего около 4000 атомов. Координатные оси были ориентированы согласно (1). Периодические граничные условия использовались в направлениях OY и OZ, и жесткие - вдоль оси OX {V=\i=0).

Первоначально внутри зерна моделировался вакансионный комплекс, который затем релаксировался. После этого на расстоянии примерно 50 а.е. был сформирован диполь (вакансия и межузельный атом). Аннигиляция диполя привела к локальному увеличению температуры в области его расположения (рис.4а) и распространению внутренних напряжений. Через 150 шагов после образования диполя возмущение достигло вакансионного комплекса и инициировало в области его расположения тепловое пятно (рис.4б).

Рис.4 Распределение абсолютных величин скоростей в плоскости ХОУ в моменты времени а) 50ДС б) 150Д( в)200Д1; г)450Д1

Состояние теплового пятна в различные моменты времени показано на рис.4в и рис.4г. Локальная температура теплового пятна достигает максимального значения (рис.4в), затем тепловое пятно "расплывается", и происходит выравнивание температуры по образцу (рис.4г).

Четвертая глава посвящена особенностям поведения материалов с протяженными дефектами (области пониженной атомной плотности, границы зерен) при высокоскоростном нагружении.

Моделировался трехмерный кристаллит алюминия, включающий около 12500 атомов, при температуре близкой к ОК с ориентацией осей (1). В направлениях ОУ и 02 использовались периодические граничные условия, а на гранях перпендикулярных ОХ задавались граничные условия в виде (2), (3):

1) для сжатия \Л=70"< ат.ед. (200м/с); У2=0;

2) для сдвигового нагружения \Ji-Wат.ед. (200м/с); ]/2=0.

Область с повышенной концентрацией точечных дефектов была создана на расстоянии приблизительно 80 ат.ед. от левого края образца вдоль направления ОХ. Размеры области, содержащей 25 вакансий, составляли вдоль направления оси ОХ - 30 ат.ед., вдоль оси ОУ - 40 ат.ед., вдоль оси 02 - 30 ат.ед. Размер области, содержащей 50 вакансий, был увеличен в два раза в направлении оси ОХ.

Для решения поставленной задачи был проведен анализ распределения величин скоростей атомов и изменения формы уединенной волны в различные моменты времени. Так на рис.5 показано поле распределения скоростей атомов кристаллита в плоскости ХОУ и вдоль направления ОУ для уединенной волны, инициированной высокоскоростным сдвигом (200 м/с). В этом случае форма гребня уединенной волны (рис.ба) существенно изменяется при прохождении через область с точечными дефектами (рис.56), но первоначальная форма гребня волны уже не восстанавливается и ее изменение носит устойчивый характер (рис.бв).

Иная картина наблюдалась при распространении уединенных волн, инициированных высокоскоростным сжатием (200 м/с), рис.6. Из сравнения рис.ба и рис.66 видно, что гребень волны существенно изменяет свою форму в области со структурными дефектами. Отметим, что форма гребня достаточно быстро восстанавливает свой первоначальный вид, что видно из рис.бв. Подобным же образом ведет себя волна и для случая, когда число вакансий в дефектной области увеличивалось с 25 до 50. Изменения формы солитонообразной волны, наблюдавшееся в данном компьютерном эксперименте, показывает, что она определяется структурой и свойствами той области, в которой распространяется.

Расчеты показали, что амплитуда уединённых волн, инициированных сжатием, существенно уменьшается после взаимодействия с дефектными областями. Так после прохождения области, содержащей 25 вакансий, амплитуда волны понизилась приблизительно на 10% по сравнению с начальным значением, а для случая с 50 вакансиями на 20%. Отметим, что в образце с идеальной структурой амплитуда солитонообразных волн практически не изменяется.

Рис.5 Распределение атомных скоростей по величине в плоскости ХОУ и вдоль направления оси ОУ для образца, содержащего дефектную область из 25 вакансий. Скорость сдвига составляла 200м/с. а) (=0; б) 1=1100Д1; в) 1=1500А1

Рис.6 Распределение атомных скоростей по величине в плоскости ХОУ и вдоль направления оси ОУ для образца, содержащего дефектную область из 25 вакансий. Скорость сжатия составляла 200м/с. а) 1=0; б) 1=600Д1; в) 1=1200^;

Полученные результаты означают, что наличие дефектных областей приводит к уменьшению амплитуды волны, причем, чем больше концентрация дефектов, тем на большую величину происходит уменьшение амплитуды. При прохождении же через бездефектные области эта информация сохраняется.

В работе изучались особенности распространения уединенных волн, возникших в результате импульсного сдвигового нагружения, а также сжатия, в материале, содержащем границу зерен. Объектом моделирования являлся трехмерный кристаллит алюминия, содержащий границу зерен специального типа £7, с осями координат, ориентированными согласно (1). Размеры образца составляли вдоль направлений ОХ: - 370 - ат.ед., ОУ: - 65 ат.ед., 01: - 40 ат.ед. Граница зерен находилась: 1) для случая сжатия - посредине образца перпендикулярно оси ОХ; 2) для случая сдвига - смещенной от центра на 25% к левому краю вдоль направления ОХ. Образец содержал около 9000 атомов. Вдоль направлений ОУ и 01 использовались периодические граничные условия, а по краям образца в направлении оси ОХ прикладывалось механическое нагружение в соответствии с условиями (2),(3) со скоростью: \/1=10'4 ат.ед. (200м/с); I/г=0.

Положение уединенной волны, инициированной высокоскоростным сжатием (1), в различные моменты времени показано на рис.7. Как видно из рис.7, амплитуда этой волны понизилась примерно на 20% после прохождения зернограничной области. Отметим, что форма гребня волны, изменившаяся при взаимодействии с границей зерен (рис.7б), достаточно быстро восстановила свой первоначальный вид (рис.7в).

Иная картина наблюдалась при распространении уединенной волны, инициированной сдвигом, - граничные условия (2). Результаты расчетов приведены на рис.8. Хорошо видно, что в этом случае не только форма гребня, но и сама волна, оказываются неустойчивыми. В результате взаимодействия с зернограничной областью энергия, запасенная уединенной волной под воздействием высокоскоростного сдвига, распределилась по всему образцу. Исследования, проведенные в настоящей работе, показали, что условия распространения, в частности, интенсивность рассеяния уединенных волн, ининциированных сдвиговым нагружением, во многом определяется ориентацией кристалла по отношению к направлению сдвига, и концентрацией дефектов структуры.

о ооою

3 0 00005 0 00000^

100 1 50 200 250 ЗСО 350 Х,а е.

О 30 60 У.а.е

0.00010 б £ о ооак 0.1

ц „ о.осах

Рис.7 Распределение абсолютных величин скоростей в плоскости ХОУ и вдоль направления ОУ для сжатия 200м/с в моменты времени а) 100Д(; б) 500Д(; в) 1000Д1.

О 000075 0 000050 > О.ОООС25 О 000000-

50 100 150 20О 250 300 350

б >-„

0 0 0006 0 0 0004 00002 ООО ООО

0 00004

В >■ 0 00002

О 00000

50 100 150 200 250 300 350

Рис.8 Распределение абсолютных величин скоростей в плоскости ХОУ и вдоль направления ОУ для сдвига 200м/с в моменты времени а) 100Д1; б) 500Д1; в) 1200Д1

Параграф 4.3 посвящен изучению высокоскоростного воздействия на поведение границ специального типа при комнатных температурах. Выбор границ специального типа обусловлен тем, что их свойства являются чувствительными к температурным изменениям.

Моделируемый кристаллит содержал более 4000 атомов. Граница зерна находилась по середине образца перпендикулярно оси ОХ. В направлениях ОУ и

02 использовались периодические граничные условия, а края образца в направлении ОХ смещались с постоянной скоростью в соответствии с условиями (3) для 1Л-1/г=-200м/с.

Проведенные расчеты показали, что структура межзеренной области существенно меняется в условиях интенсивного сдвигового нагружения. При этом атомы, находящиеся в области границы зерен, вытесняются из соответствующих атомных плоскостей (рис.9).

Вид функций радиального распределения для межзеренной области в начальный момент времени и в процессе нагружения приведен на рис.10. Из сравнения рис. 10а и рис.106 явно видно, что под воздействием приложенного нагружения происходит разупорядочение структуры межзеренной границы. Следует отметить,

О

X

а)

б)

Рис.9 Проекция структуры образца на плоскость ХОТ а) в начальный момент времени; б) для 1=120000 ат.ед.

что процесс перестройки межзеренной области сопровождается значительными атомными смещениями соизмеримыми с межплоскостными расстояниями, что хорошо видно из сравнения рис.Эа и рис.9б. В то же время результаты моделирования показывают, что структура самих зерен существенно не изменяется, и несмотря на некоторое размытие пиков функций радиального распределения сохраняет выраженный кристаллический характер.

X

¿3

* * * »♦

> > » / *

» «

' * »

...... ч ............ ^ ч ,

„ ♦♦ « * * **

гз

о

е-

о

г- -

т © -

а) г

Рис.10 Функция радиального распределения атомов в зернограничной области а) для (=0 и б) для {=120000 ат.ед.

Моделирование поведения образца после прекращения сдвигового воздействия и последующая релаксация при той же температуре приводит к восстановлению в межзеренной области структуры кристаллического типа. При этом атомы из межплоскостных положений возвращаются в атомные плоскости, а функция радиального распределения принимает вид близкий к приведённому на рис. 10а, однако полностью к своему первоначальному виду межзеренная граница не релаксирует.

Основные результаты и выводы.

1. Обнаружено, что импульсный локальный разогрев в одномерных цепочках атомов формирует пакет нелинейных уединенных волн, за которым распространяется тепловой фон.

2. Обнаружено, что динамическое сдвиговое нагружение или одноосное сжатие приводят к формированию в материале уединенных импульсов, распространяющихся с различными скоростями. Уединенные импульсы проходят друг через друга и практически полностью восстанавливают свою форму и амплитуду.

3. Показано, что взаимодействие уединенного импульса с вакансионными комплексами может привести к интенсивному локальному разогреву данной области и образованию так называемого теплового пятна. Характеристики теплового пятна, как и сама возможность его генерации, определяются как структурой самого вакансионного кластера, так и величиной амплитуды уединенного импульса и способом его генерации (сдвиг или сжатие).

Установлено, что чем выше амплитуда уединенного импульса, тем раньше возникает тепловое пятно, короче продолжительность его существования и выше локальная температура в пятне.

4. Показано, что тепловые пятна в материалах в области вакансионных комплексов могут генерироваться релаксацией неравновесных дефектов, в частности, в результате аннигиляции пары межузельного атома и вакансии, образовавшихся в результате либо внешних воздействий, либо внутренних напряжений.

5. Анализ закономерностей взаимодействия уединенных импульсов, инициированных высокоскоростным сдвигом, с областями материала, характеризующимися пониженной атомной плотностью, а также с границами зерен, показал, что они изменяют форму своего гребня и могут в значительной степени рассеиваться, в особенности на границах зерен. В тоже время импульсы, инициированные сжатием, после взаимодействия с подобными дефектами полностью восстанавливают свою форму, однако их амплитуда понижается. Такие особенности их поведения представляют определенный интерес при решении задач, связанных с методами неразрушающего контроля материалов.

6. Проведенные исследования показали, что в интервале комнатных температур в условиях сдвигового нагружения аккомодация межзеренного смещения в материале может происходить путем структурных изменений в межзеренной области. Данный эффект носит динамический характер и после прекращения внешнего воздействия в межзеренной области восстанавливается кристаллообразная структура.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Псахье С.Г., Сараев Д.Ю., Коростелев С.Ю. О тонкой структуре фронта распространения возмущений при импульсном локальном разогреве в одномерной решетке // Письма вЖТФ, 19Э4, том 20, вып.2., с.40-43.

2. Псахье С.Г., Негрескул С.И., Зольников К.П. и др. Дискретные компьютерные модели конденсированных сред с внутренней структурой II в кн.: Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов. Под ред. Панина В.Е. Новосибирск: Наука, 1995. -Т.2. - С.77-102.

3. Псахье С.Г., Зольников К.П., Сараев Д.Ю. Локальная структурная неустойчивость и формирование тепловых пятен в материалах при механическом нагружении // ФГВ, 1997, Т.ЗЗ, №2, с. 143-146.

4. Псахье С.Г., Сараев Д.Ю., Зольников К.П. Взаимодействие уединенных волн в материалах с атомными дефектами структуры // Письма в ЖТФ, 1996, Т.22, вып.10., с.6-9.

5. Psakhie S.G., Saraev D.Yu., Zolnikov К.P. Shape Memory of Solitons in Solids as a Foundation of New Type of NDT // Proc. of Int. Conf. Computer-Aided Design of Advanced Materials and Technologies, 1997, Baikal Lake, Russia. C.166.

6. Psakhie S.G., Zolnikov K.P., Saraev D.Yu. Hot Spot in Materials with Structural Defects under High Shear Loading Rates // Journal of Material Science and Technology, 1998., V.14., P.72-74.