Диссипативные процессы и структуры в кинетике линейных дефектов конденсированных сред тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

у — # . ,

/ . * .. ^ ***** '«X

МИНИСТЕРСТВО ОЙЦЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Уфимский технологический институт сервиса

На правах рукописи

ЕМАЛЕТДИНОВ АЛИК КАМИЛОВИЧ

ДИССИПАТИВНЫЕ ПРОЦЕССЫ И СТРУКТУРЫ В КИНЕТИКЕ ЛИНЕЙНЫХ ДЕФЕКТОВ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД

Специальность 02.00.04 - Физическая химия

Диссертация

на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Уфа

Президиум ВАК России

(решение от"

, присудил учекук

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ с.8

ГЛАВА I. ДИССИПАТИВНЫЕ ПРОЦЕССЫ ГОМОГЕННОГО ЗАРОЖДЕНИЯ ДЕФЕКТОВ РЕШЕТКИ 18

1.1. Неравновесная термодинамика и иерархия диссипативных процессов и структур в кинетике линейных дефектов конденсированных сред 20

1.2. Дефекты (К - солитоны) как диссипативные структуры в ангармонической решетке 27

1.3. Линейный дефект (дислокация -солитон) в ангармоническом кристалле 33

1.4. Гомогенное зарождение дефектов как кинетический переход

в неравновесной фононной системе деформируемой решетки 38

1.5. Синергетическая модель процесса зарождения дефектов 44

1.6. Время гомогенного зарождения дефектов 50

1.7. Условия гомогенного зарождения дефектов 52

1.8. Сравнение с экспериментальными данными 54

1.9. Основные выводы по первой главе 55

ГЛАВА II. ДИССИПАТИВНЫЕ ПРОЦЕССЫ ГЕТЕРОГЕННОГО ЗАРОЖДЕНИЯ ДИСЛОКАЦИЙ 57

2.1. Диссипативный процесс гетерогенного зарождения дислокаций источниками 59

2.2. Динамика зарождения дислокаций источником Франка - Рида 63

2.3. Динамика зарождения дислокаций концентраторами напряжений 69

2.4. Сравнение с экспериментальными данными по зарождению

линий скольжения

2.4. Основные выводы по второй главе

76 76

ГЛАВА III. ДИССИПАТИВНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ГРАНИЦАХ ЗЕРЕН 81

3.1. Физическая модель диссипативных структур (дефектов) в границах зерен 84

3.2. Дислокации (кинк-солитоны) в произвольных границах зерен 87

3.3. Моделирование зернограничных квазидислокаций в произвольной границе 95

3.4. Упругие поля напряжений и энергия зернограничных

квазидис локаций 95

3.5. Динамические свойства зернограничных квазидислокаций 98

3.6. Диссоциация решеточной дислокации на квазидислокации

в обычной границе 100

3.7. Зарождение решеточных дислокаций в границах 105

3.8. Скорость зернограничного проскальзывания. Сравнение с экспериментом 112

3.9. Дефекты в квазикристалах и аморфных металлах 117

3.10. Основные выводы по третьей главе 118

ГЛАВА IV. ДИССИПАТИВНЫЙ ПРОЦЕСС ВОЗБУЖДЕНИЯ ФОНОН-НОЙ СИСТЕМЫ КРИСТАЛЛА ДВИЖУЩИМИСЯ ДИСЛОКАЦИЯМИ 122

4.1. Локальное тепловыделение как диссипативный процесс взаи-

модействия фононов с движущимися дислокациями 124

4.2. Эффект увлечения фононов движущимися дислокациями

при пуазейлевском течении фононного газа 128

4.3. Возникновение градиента температуры вдоль полосы скольже-

ния благодаря увлечению фононов 130

4.4. Эффект уменьшения коэффициента торможения дислокаций

в линии скольжения при увлечении фононов 134

4.5. Изменение температурной зависимости коэффициента торможения благодаря увлечению фононов 137

4.6. Масштабный эффект для коэффициента вязкого торможения дислокаций при дрейфе фононов 140

4.7. Сравнение с экспериментальными данными по диссипатив-

ному процессу вязкого движения дислокаций 142

4.8. Основные выводы по четвертой главе 144

ГЛАВА V. МАКРОСКОПИЧЕСКИЕ ТЕПЛОВЫЕ ДИССИПАТИВНЫЕ

ПРОЦЕССЫ В КИНЕТИКЕ ДИСЛОКАЦИЙ 148

5.1. Диссипативные процессы локального тепловыделения в кинетике дислокаций 149

5.2. Тепловые и термоупругие поля вокруг движущихся дислокаций и дислокационных процессов 150

5.3. Тепловые поля вокруг источников дислокаций и полос скольжения 157

5.4. Численное моделирование температурных полей в полосах скольжения 162

5.5. Разогрев вершины трещины при ее пластическом затуплении 164

5.6. Тепловые диссипативные структуры в полосах скольжения при низких температурах 165

5.7. Применение пленок холестерического жидкого кристалла

для анализа температурных полей при деформации 166

5.8. Термоактивация химических процессов в полосе скольжения 171

5.9. Сравнение с экспериментальными данными по разогреву при локальной деформации и механической обработке

5.10. Основные выводы по пятой главе

173 178

ГЛАВА VI. ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ДИССИПАТИВНЫЕ СТРУКТУРЫ

В КИНЕТИКЕ ДИСЛОКАЦИЙ 181

6.1. Самоорганизация и развитие дислокационных субструктур в процессе пластической деформации. Уравнения кинетики. 185

6.2. Диссипативные дислокационные субструктуры при

одиночном скольжении 193

6.3. Диссипативные структуры при множественном

скольжении 197

6.4. Влияние размеров образца и локализация диссипативных структур 204

6.5. Основные алгоритмы численного моделирования уравнений кинетики 206

6.6. Основные типы возникающих диссипативных структур 211

6.7. Сравнение с эволюцией дислокационных состояний, наблюдаемых в эксперименте 217

6.8. Основные выводы по шестой главе 224

ГЛАВА VII. ДИССИПАТИВНЫЕ АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СТРУКТУРЫ В КИНЕТИКЕ ДИСЛОКАЦИЙ ПРИ ГЕЛИЕВЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ 225

7.1. Тепловая неустойчивость полос скольжения

при гелиевых температурах 229

7.2. Статистическая модель неустойчивости кинетики полос сколь-

жения при низких температурах 234

7.3. Коррелированное развитие неустойчивостей в кинетике ансамбля полос скольжения 237

7.4. Автоколебательные временные диссипативные структуры в кинетике дислокаций при гелиевых температурах 237

7.5. Температурная зависимость режима автоколебаний 240

7.6. Численное моделирование автоколебаний в кинетике дислокаций при гелиевых температурах 242

7.7. Влияние размера образца на возникновение автоколебаний деформации 244

7.8. Сравнение с экспериментальными данными 246

7.9. Основные выводы по восьмой главе 248

ГЛАВА VIII. СВЕРХПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ КАК

ЭФФЕКТ АВТОВОЛНОВОЙ ДИССИПАТИВНОЙ СТРУКТУРЫ В КИНЕТИКЕ РЕШЕТОЧНЫХ И ЗЕРНОГРАНИЧНЫХ ДИСЛОКАЦИЙ 251

8.1. Термодинамика и синергетика диссипативных процессов при СП

деформации 253

8.2. Микроскопическая модель сверхпластической деформации 256

8.3. Кинетика дефектов при СПД 265

8.4. Микроскопическое описание характеристик СПД 267

8.5. Неупругие свойства сверхпластичных материалов и эффект переключения скорости деформирования 269

8.6. Сверхпластическая деформация эффект временной диссипа-тивной структуры в кинетике зернограничных квазидислокаций

и решеточных дислокаций 276

8.7. Температурно-скоростной интервал проявления

сверхпластической деформации 281

8.8. Критический размер зерен, соответствующий переходу к сверхпластическому течению 285

8.9. Масштабный эффект проявления сверхпластичности 290

8.10. Максимальная пластичность при сверхпластической деформации 291

8.11. Основные выводы по девятой главе 292

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 295

ЛИТЕРАТУРА 300

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Одной из фундаментальных проблем современной физико-химической кристаллографии, физико-химического материаловедения, трибоники является создание теории дефектов и дефектных субструктур, определяющих физико-химические свойства кристаллических материалов, квазикристаллов и аморфных материалов. Целенаправленное достижение оптимального сочетания химических, механических, электрических, магнитных и др. свойств конструкционных материалов невозможно без развития знаний о свойствах и эволюции развития структур дефектов при физико-химической обработке этих материалов. Одним из основных способов формообразования и создания заданной дефектной структуры является пластическая деформация, определяемая кинетикой различных дефектов кристаллической решетки. В реальных материалах существует огромное количество различных взаимодействующих дефектов: точечных, линейных (дислокации), поверхностных (границы зерен), объемных (микротрещин, двойников), которые во многом определяют физические и химические свойства материалов. Каждый локальный микромеханизм необратимой деформации играет основную роль при заданных термомеханических условиях, определяемых критическими значениями параметров: напряжений, температуры, плотности дефектов и др [1-15]. В обычных материалах основную роль играют линейные дефекты - дислокации. Движущиеся дислокации создают деформацию, являются микроскопическими источниками тепловыделения, активными центрами, ускоряющими химические, адгезионные, диффузионные и др. процессы. Важна роль дислокаций в физике твердой Земли.

Диссипация энергии пластической деформации происходит через элементарные акты зарождения и движения дефектов различного уровня, т.е. накопление латентной энергии дефектов, а также через локальное тепловыделение. Первый эффект определяет реальную структуру деформируемых кристаллических тел и подвергался подробным экспериментальным исследованиям для всех

типов кристаллов [1-15,69-72]. Были предложены и установлены различные механизмы зарождения дефектов. В общем виде задача о расчете динамики работы источников дислокаций чрезвычайно сложна, что дополнительно усугубляется отсутствием полной математической постановки задачи [3,4,19]. Именно эта трудность и являлась основным препятствием для развития теории динамики работы источников дислокаций и ее приложений в теории пластичности. Практически отсутствовал детальный квантово-механический расчет процесса зарождения дефектов. Хотя последние достижения в теории неравновесной термодинамики, синергетики и динамики решетки [16-18,20,24,25] обнаружили, что зарождение неравновесных деформационных дефектов должно описываться в рамках нелокальных процессов неравновесной фононной подсистемы кристалла, в которой должны учитываться и другие нелинейные, диссипативные, квантовые эффекты, особенно проявляющиеся при низких температурах.

Основные конструкционные материалы получаются, обрабатываются и используются в виде поликристаллов, в физико-химических свойствах которых важную роль играют границы зерен [1-15,21-23,26]. Несмотря на большой экспериментальный материал теоретические исследования структуры болыпеугло-вых границ велись в основном в геометрических моделях и численным моделированием и практически не рассматривались физические модели диссипатив-ных процессов в границах зерен (дефектов и их кинетики).

Проблема макроскопического тепловыделения при деформации имеет давнюю историю и многочисленные технические приложения [27-46]: механохи-мическая обработка, твердофазное соединение, механохимия, трибоника, физике и химии твердой Земли и др. В тоже время к началу постановки настоящей работы (75-76г.) мало внимания уделялось роли локального тепловыделения, как микроскопического диссипативного процесса при деформации [1,49-52]. В литературе отсутствовал квантово-механический анализ процесса тепловыделения движущимися дислокациями как элементарными источниками.

Хорошо известным макроскопическим следствием локальных диссипатив-ных процессов и образования временных, автоволновых диссипативных структур является сверхпластическая деформация (СПД) мелкозернистых материалов [13,14,53 - 57], скачкообразная деформация материалов, например, сплавов при низких температурах [58-63], сейсмическая деформация горных пород [39] о природе которых высказывались различные суждения. Существует настоятельная необходимость прогнозирования этих явлений. Например, сверхпластическая деформация является уникальным способом формирования и получения деталей из новых , перспективных материалов : ферромагнитных сплавов, керамических материалов, жаропрочных сплавов, интерметаллических материалов. Все это приводит к тому, что выяснение основных закономерностей влияния диссипации энергии и возникновения временной самоорганизации в кинетике дислокаций при пластической деформации и СПД является одной из актуальных проблем физики и химии пластичности, так высокоинтенсивных технологических процессов обработки кристаллических материалов.

В последние годы интенсивно развиваются исследования новых состояний конденсированных сред, обладающих уникальными физико-химическими свойствами: аморфных, квазикристаллических, гранулированных и нанокристалли-ческих [64-68], в которых существенно изменяются атомное строение и свойства дефектов, на что указывают трудности при интерпретации экспериментальных данных с использованием характеристик дефектов ( N - солитонов) в гармонической решетке.

Как установлено в неравновесной термодинамике и синергетике [16-18] в высокоинтенсивных диссипативных процессах определяющую роль играют: образование и эволюция пространственных диссипативных структур как наиболее эффективных каналов диссипации энергии . Экспериментальное изучение дислокационных субструктур, проведенное для материалов с разным типом кристаллической решетки и формирующихся при пластической деформации, показало общую закономерность их эволюции [5-11,15,69-72]: однородная ( лаю

минарная ), полигональная, хаотическая, ячеистая, клубковая, полосовая и фрагментированная субструктуры . Последние две нашли применение в технологии получения сверхпластических материалов с размером зерна 1-10 мкм и уникальных нанокристаллических материалов с размером зерна менее 0,1 мкм. Причем эксплуатационные физико-химические характеристики изделий из таких материалов однозначно определяются типом, образующейся после термомеханической обработки, субструктуры. В последние годы в связи с развитием теории самоорганизации диссипативных систем - синергетики [2,16-18,155, 156,178], появилась возможность точно рассмотреть проблему эволюции дислокационных субструктур как диссипативных структур в кинетике дислокаций и объяснить их образование как результат внутренних диссипативных процессов перестройки системы взаимодействующих дислокаций.

Цель работы : построить количественную теорию различных каналов диссипации энергии в кинетике линейных дефектов: процессов гомогенного и гетерогенного зарождения дефектов в решетке, квазирешетке и границах зерен, локального тепловыделения движущимися дислокациями в кристалле; установить относительную роль нелинейных эффектов неравновесной фононной подсистеме кристалла в кинетике дислокаций и микротрещин; построить последовательную нелинейную теорию самоорганизации дислокационных ансамблей и диссипативных дислокационных субструктур при физико-химической обработке кристаллов; на основе самоорганизации в кинетике дислокаций построить количественную теорию особенностей низкотемпературной скачкообразной и высокотемпературной сверхпластической деформации ультрамелкозернистых материалов.

В работе были поставлены и решены следующие задачи :

1. Разработка теории нелинейных диссипативных процессов в неравновесной фононной подсистеме нагруженного кристалла, таких как : локальное нелинейное тепловыделение, гомогенное зарождение дефектов (солитонов) в ангармонической решетке, квазидефектов в квазипериодической решетке, нели-

нейные эффекты вязкого движения дислокаций; солитоноподобные режимы температурных полей.

2. Теоретическое описание закономерностей диссипативного процесса -гетерогенного зарождения дислокаций источниками в объеме кристалла и в границах зерен при пластической деформации и разрушении материалов.

3. Построение теории структурных состояний и диаграмм дислокационных диссипативных субструктур в кинетике дислокаций в широком интервале изменения условий : температуры, напряжений, типа решеток и др.

4. Разработка, на основе самоорганизации развития полос скольжения, представлений о микроскопической природе низкотемпературной, скачкообразной деформации металлов и теоретическое описание основных ее особенностей.

5. Разработка микроскопической синергетической теории основных характеристик мелкозернистой сверхпластической деформации материалов, основанной на самоорганизации зернограничных и решеточных дислокаций.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые :

дан количественный квантово-механический расчет диссипативного процесса гомогенного зарождения дефектов ( дислокаций, микротрещин и т.д. ) как солитонов диссипативного процесса в неравновесной фононной подсистеме нагруженного ангармонического кристалла в зависимости от температуры, типа кристалла и др. факторов;

произведен последовательный квантово-механический количественный учет нелинейных эффектов процесса диссипации энергии движущимися дислокациями в области низких температур, эти поправки позволили выявить специфические черты тепловыделения при гидродинамическом течении фононного газа и предсказать ряд новых нетривиальных эффектов, например : увлечение фононов дислокациями, изменение величины, температурного хода и проявление масштабного эффекта для динамических характеристик дислокаций, возникновение градиента температуры вдоль полосы скольжения и проявление со-

литонных режимов тепловыделения,;

введен новый класс краевых задач для сингулярных инт