Движение дислокации под действием ультразвука в неоднородном по пространству поле напряжений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. В. ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УДК 548.4:534

Силис Мария Ильинична

ДВИЖЕНИЕ ДИСЛОКАЦИИ ПОД ДЕЙСТВИЕМ УЛЬТРАЗВУКА В НЕОДНОРОДНОМ ПО ПРОСТРАНСТВУ ПОЛЕ НАПРЯЖЕНИЙ

Специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2004

Работа выполнена на кафедре молекулярной физики физического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор Н. А. Тяпунина. кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Г. В. Бушуева.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор В.Т.Супрун, кандидат физико-математических наук, доцент В.И.Веселое.

Ведущая организация:

МГТУ им. Н.Э. Баумана (Московский государственный технический университет, Калужский филиал)

2004 г. в ча

Защита состоится «/ V ъ ^хлил^ у'* 2004 г. в 'У часов на заседании

Диссертационного Совета К 501.001.02 в Московском государственном

университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, ГСП-2, Москва,

Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, физический факультет, аудитория

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан

Ученый секретарь

Диссертационного совета К 501.001.02 кандидат физико-математических наук

И.А.Никанорова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. К числу фундаментальных проблем физики твердого тела относится установление связи между макроскопическими характеристиками материалов, их структурно-чувствительными свойствами и микропроцессами и дефектами кристаллической структуры Свойства кристаллов зависят не только от концентрации дефектов, но и от характера их движения и взаимодействия. При различных внешних воздействиях характер движения и взаимодействия дефектов может меняться, следствием чего может являться изменение физических свойств кристаллов. Воздействуя на кристалл различными полями можно целенаправленно изменять систему его структурных дефектов, а, следовательно, и его физические свойства, что важно для прикладных целей и является одной из основных задач современного материаловедения. Одним из таких воздействий, широко использующихся на практике, является ультразвук. Ультразвуковое воздействие дает возможность изменять свойства кристаллов, меняя в широком интервале плотность дислокаций и обусловливая формирование дислокационных структур, не создающих в кристалле дальнодействующих полей напряжений При ультразвуковом воздействии важную роль играет процесс поперечного скольжения дислокаций, поскольку в его отсутствие невозможно эффективное размножение дислокаций. Происходящие в кристаллах процессы изменения структурных дефектов, как правило, нелинейны, что определяет сложность их аналитического описания и требует численного решения соответствующих задач.

Цель работы. Целью данной работы являлось исследование методом ЭВМ-моделирования процесса движения дислокации под действием ультразвука с учетом ее поперечного скольжения в неоднородном по пространству поле упругих напряжений при различных параметрах задачи (частотах и амплитудах ультразвука, кристаллографических ориентациях образцов относительно направления

РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

ультразвуковой волны и др )

Научная новизна. На примере щелочно-галоидных кристаллов, впервые исследован процесс поперечного скольжения дислокаций в неоднородном по пространству поле напряжений в широком интервале кристаллографических ориентации образцов относительно направления ультразвуковой волны и амплитуд ультразвука вплоть до критической амплитуды при которой начинается размножение дислокаций

Определены типы траекторий, законы движения дислокаций и величины выброса дислокаций в плоскости поперечного скольжения

Впервые установлена зависимость типов траекторий от амплитуды ультразвукового напряжения и кристаллографической ориентации образца, характеризуемой углом

Впервые для всего множества значений <г0и 9 установлены размеры и формы областей ("стартовых областей"), начиная движение из которых дислокация имеет однотипные траектории в первый период ультразвука

Показано, что обратимые при ультразвуковом воздействии деформации в присутствии неоднородного по пространству поля упругих напряжений становятся необратимыми

Научная и практическая значимость диссертации. Тема данных исследований относится к одной из фундаментальных проблем физики твердого тела - проблеме влияния различных полей на физические свойства кристаллов Приведенные в диссертации данные важны для более глубокого понимания причин и микромеханизмов изменения физических свойств кристаллов под действием ультразвука Результаты могут быть использованы и для прикладных целей, например, для прогнозирования поведения материалов, подвергающихся вибрационным нагрузкам

На защиту выносится следующее:

1 Модернизированный метод моделирования на ЭВМ процесса движения дислокации при длительном ультразвуковом воздействии с

учетом ее поперечного скольжения в неоднородном по пространству поле упругих напряжений.

2. Результаты исследования процесса поперечного скольжения дислокации в зависимости от параметров ультразвука и коэффициента динамической вязкости для кристаллов ЫаО! различной кристаллографической ориентации.

3.Типы траекторий дислокации и их зависимости от параметров ультразвука, кристаллографической ориентации образца и стартовых координат дислокации.

4. Поперечное скольжение возможно при старте дислокации только из определенных областей пространства, форма, размер и расположение которых зависят от параметров ультразвука, кристаллографической ориентации образца и коэффициента динамической вязкости.

5.Зависимости высот выброса дислокаций в плоскости поперечного скольжения от амплитуды и частоты ультразвука, кристаллографической ориентации образца, коэффициента динамической вязкости.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на X Международной конференции «Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах» (г.Тула, 13-15 ноября 2001 г.), на Всероссийской конференции «Дефекты структуры и прочность кристаллов» (Черноголовка, 4-7 июня 2002 г.), на Второй международной конференции по физике кристаллов «Кристаллофизика 21-го века» (Москва, 28-30 октября 2003 г.), на XLII-й Международной конференции "Актуальные проблемы прочности" (г. Калуга, 26-29 мая 2004 г.).

Публикации. Материалы диссертации отражены в 4-х статьях, и 4-х тезисах Всероссийских и Международных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и содержит текста, включая

41 рисунок, 1 таблицу и список литературы из 57 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы; сформулированы основные цели, научная новизна и практическая значимость работы; определен метод исследования; перечислены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава содержит обзор литературы по теме диссертационной работы. Рассматривается влияние внутренних полей напряжения и ультразвуковой нагрузки на процесс движения и поперечного скольжения дислокации. Показано, что поперечное скольжение играет важную роль в развитии пластической деформации кристаллов при различных способах нагружения. Однако сам процесс поперечного скольжения изучен недостаточно. Наблюдать экспериментально происходящий в объеме кристалла процесс движения дислокаций за времена, сравнимые с периодом ультразвуковых колебаний, не представляется возможным. Для изучения таких быстропротекающих процессов метод ЭВМ-моделирования оказывается не только удобным, но и единственно возможным. Преимуществом метода ЭВМ-моделирования является также то, что при изучении сложных явлений, зависящих от многих факторов, можно выявить влияние каждого фактора отдельно, что не удается сделать экспериментально.

На основании анализа литературных данных поставлена задача: провести методом компьютерного моделирования исследование процесса движения дислокации с учетом поперечного скольжения под действием ультразвука в неоднородном по пространству поле напряжений при различных параметрах задачи (частотах и амплитудах ультразвука, кристаллографических ориентациях образцов относительно направления ультразвуковой волны и коэффициентах динамической вязкости).

Вторая глава содержит описание модели и алгоритма, которые позволяют моделировать процесс движения дислокации с учетом поперечного скольжения в неоднородном по пространству поле напряжений при длительном воздействии ультразвука.

Движение винтовой дислокации с учетом поперечного скольжения рассмотрено применительно к щелочно-галоидным кристаллам. Источником поля внутренних напряжений служила неподвижная дислокация одноименная с пробной. Плоскостями скольжения являлись плоскости (011) (плоскости xz) и (100) (плоскости yz). Дислокации считались прямолинейными, бесконечными, параллельными направлению [Olí] (ОСЬ 7).

В ультразвуковом поле деформация растяжения-сжатия происходила вдоль направления, которое лежит в плоскости (001) под углом 0 к оси четвертого порядка [010].

Моделирование проводилось с использованием уравнения вязкого движения

где V - скорость дислокации; В - коэффициент динамической вязкости; Р-\=таЬ - сила, действующая на дислокацию и обусловленная внешней нагрузкой (Ь - модуль вектора Бюргерса, а=а°8т2пП — напряжение, изменяющееся во времени по гармоническому закону, а0 и 1-амплитуда и частота ультразвука, время, т — соответствующий фактор Шмида); р2=Ьгст - сила типа максимальной силы сухого трения (тст -пороговое напряжение, при достижении которого дислокация начинает двигаться); - сила, обусловленная неоднородным по

пространству полем напряжений задающей дислокации.

По мере своего движения в неоднородном по пространству поле напряжения и при изменяющейся во времени внешней нагрузке дислокация, движущаяся по одной из плоскостей скольжения (первичная плоскость скольжения), может перейти в другую (вторичную) плоскость скольжения, и затем может вернуться в плоскость параллельную первоначальной плоскости скольжения. Условия перехода дислокации из одной плоскости в другую определяются следующей системой неравенств:

bv=f,+f2+f3,

(1)

|т,<т +i-J-íf" >0,

(2)

(3)

|m2CT + r2|-rjm >0,

(4)

Здесь индексы 1 и 2 - отвечают плоскостям скольжения (011) и (100), соответственно, т,3** - эффективные скалывающие напряжения, действующие в плоскостях скольжения (011) (/=1) и (100) (/=2) и равные

т1=Ы(х2+у2), т2=/су/(*2+у2), к=ЗЫ2п, в- модуль сдвига.

Дислокация движется в плоскости (011), если выполняются неравенства (2) и (3), и по плоскости (100) при выполнении (4) и (5)

Используя уравнение (1) и систему неравенств (2-5), определяли траектории движения пробной дислокации в проекции на плоскость (011) (плоскость ху).

При моделировании использовался следующий алгоритм. В начальный момент времени пробную дислокацию помещали в точку с координатами где в плоскостях скольжения

действуют эффективные скалывающие напряжения соответственно. Плоскость, в которой будет двигаться дислокация, определяется из неравенств (2-5). Величины перемещений за

промежуток времени Д? находятся из уравнений вязкого движения (1). Данная процедура повторяется на каждом шаге по времени, и таким образом определяется траектория движения пробной дислокации. Рассмотрение процесса начиналось с положительного полупериода ультразвука.

Расчеты проводились при значениях параметров С=1.8«1О10Па, <"=0.3 МПа, г™=1.5 МПа, отвечающихЛ/аС/.

Глава 3 содержит результаты аналитических расчетов движения винтовой дислокации только в ультразвуковом поле. Показано, что траектории движения дислокации будут различными в зависимости от амплитуды ультразвука и кристаллографической ориентации образца, то есть от угла и не зависят от стартовых координат дислокации. Построена диаграмма о0 - 0 (рис.1). По типам траекторий пространство диаграммы а0 - в разделяется на ряд зон. Границами между зонами

служат кривые стж(0), om(Q), а также вертикальная линия АА'. Типы траекторий дислокации за один период ультразвука, характерные для каждой зоны, схематически изображены линиями со стрелками на рис. 1.

При о0 и 0, принадлежащих зоне I, дислокация под действием ультразвука может двигаться только по плоскости (011). При а0 и в, принадлежащих зоне II, дислокация покоится. При а0 и 0 из зоны III дислокация может двигаться по плоскости (100). При о° и в из зоны IV -дислокация может двигаться поочередно по плоскостям (011) и (100), то есть испытывает поперечное скольжение. При этом первичной плоскостью скольжения является плоскость (011).

в, град

Рис.1. Диаграмма ао-0: каждой из четырех зон диаграммы соответствует свой тип траектории. Типы траектории дислокации за один период ультразвука схематически изображены линиями со стрелками: сплошные линии - первая половина периода, пунктирные - вторая половина периода.

Дислокация движется в первую и во вторую половину периода по одной и той же траектории, но в противоположных направлениях. В конце периода дислокация возвращается в начальную точку, то есть движение ее периодическое, а деформацию можно считать обратимой.

Таким образом, в одном ультразвуковом поле дислокация испытывает поперечное скольжение только при а0 и 9 из зоны IV.

В главе 4 приведены результаты моделирования движения винтовой дислокации под действием ультразвука в поле одноименной с ней неподвижной дислокации. Определены возможные типы траектории движения пробной дислокации во всем диапазоне значений Показано, что при наличии неоднородного по пространству поля напряжений тип траектории пробной дислокации зависит не только от параметров ультразвука, кристаллографической ориентации образца, но и от ее стартовых координат.

Подчеркнем, что в неоднородном по пространству поле напряжений под действием ультразвука, какие пары из неравенств (2)-(5) будут удовлетворяться в каждый момент времени, зависит не только от параметров ультразвука, но и от координат скользящей дислокации. Акт поперечного скольжения реализуется только тогда, когда дислокация попадает в ту точку пространства, где в этот момент возможен переход в плоскость поперечного скольжения. То есть, дислокация, стартуя из произвольной точки пространства, может не испытать поперечного скольжения.

Если в отсутствие неоднородного по пространству поля напряжений для каждой зоны диаграммы о°-0 (рис.1) существует один тип траектории, то при наличии поля задающей для каждой зоны этой диаграммы характерен набор типов траекторий. При данных значенииях а0 и 9, какой конкретный тип траектории будет иметь дислокация, зависит от ее начального положения На плоскости ху можно выделить области

(стартовые области), начиная движение из которых, дислокация будет в первый период ультразвука иметь одинаковый тип траекторий.

Зная карту стартовых областей и начальное положение дислокации, можно определить поведение дислокации при длительном ультразвуковом

воздействии. Это возможно, поскольку, если дислокация в процессе движения попадает в какую-либо стартовую область к началу очередного периода ультразвука, то дальнейшее ее поведение будет таким, как если бы она стартовала из этой области.

В этой главе также определены стартовые области, соответствующие различным типам траекторий дислокаций. Установлены зависимости размеров и формы стартовых областей от параметров задачи (о0, в, f м В). При заданных значен иЪиЙожет быть до 16 различных стартовых областей. Характерные примеры стартовых областей для всех зон диаграммы <то-0 представлены на рис.2. Типы траекторий дислокаций, отвечающие этим областям, также схематически изображены на этом рисунке.

Как было показано в главе 3, при одном ультразвуковом воздействии движение дислокации носит колебательный характер. При совместном же воздействии ультразвука и неоднородного по пространству поля упругих напряжений движение дислокации может носить колебательный характер; либо описываться суперпозицией колебательного и поступательного движений, то есть наряду с колебательной составляющей движения появляется дрейфовая составляющая; в ряде случаев реализуется направленное движение дислокации по одной или попеременно по обеим плоскостям скольжения. То есть в общем случае движение дислокации будет непериодическим, а дислокационная деформация становится необратимой.

Проведен сравнительный анализ поведения дислокации под действием ультразвука в неоднородном по пространству поле напряжений и в отсутствие последнего. Установлено, что, если при одном ультразвуковом воздействии поперечное скольжение возможно только при а0 И 0 из зоны IV рис.1, то при наличии поля задающей дислокации поперечное скольжение возможно при ст° И 0 из всех 4-х зон, то есть процесс поперечного скольжения существенно облегчается.

8 главе 5 представлены сведения о координатах и времени выхода дислокации в плоскость поперечного скольжения, времени нахождения ее в этой плоскости, а также значения высот выбросов дислокации в

б) а=6 МПа, 6=73°

Рис.2. Карты стартовых областей пробной дислокации при /=60 кГц и В=0,06 мПа С, характерные для зоны I (а); зоны II (б); зоны III (в), зоны IV (г)- Схемы типов траектории дислокации за один период ультразвука изображены линиями со стрелками, сплошные линии - первая половина периода, пунктирные - вторая. Серым цветом обозначена область, в которой дислокация в начальный момент находиться не может.

Рис.2 (Продолжение)

результате поперечного скольжения Под высотой выброса понимаем расстояние между первичной плоскостью скольжения и параллельной ей конечной плоскостью скольжения, в которую дислокация попадает в результате однократного или многократного поперечного скольжения.

Установлено, что при углах 0 меньших 50° дислокация всегда начинает свое движение по плоскости (011), а поперечное скольжение происходит по плоскости (100). При углах больших 50° в одних стартовых областях первичной плоскостью скольжения является плоскость (011), а вторичной - плоскость (100), в других стартовых областях дислокация начинает движение по плоскости (100), а поперечное скольжение происходит по плоскости (011).

Величина и направление выбросов за один период зависят от параметров ультразвука (ст0 и f), ориентации образца (в) и коэффициента динамической вязкости (В), а также от стартовых координат дислокации (Хо.Уо )• Получены диаграммы изменения высот выбросов за один период ультразвукового воздействия в зависимости от стартовых положений дислокации и параметров задачи. Примеры таких диаграмм для из

зон I и IV npttf=60 кГц , В=0,06 мПа с представлены на рис.3 Для каждой пары определено наибольшее значение высоты выброса и

получены графики зависимостей наибольших высот выбросов за один период от угла для различных значений амплитуд ультразвука.

Определены также высоты выбросов дислокации в плоскости поперечного скольжения при длительном ультразвуковом воздействии (суммарные выбросы). Показано, что для зон при заданных

суммарный выброс зависит от параметров задачи и стартовых координат дислокации. Для каждой пары о0 и 0 определено наибольшее значение суммарного выброса. Получены графики зависимостей наибольших суммарных высот выбросов при различных значениях

амплитуды ультразвука. Зависимости получены как для случая, когда первичной плоскостью скольжения является плоскость (011), а плоскостью поперечного скольжения - (100), так и для случая, когда первичной плоскостью скольжения является плоскость (100), а плоскостью поперечного скольжения - (011) Примеры зависимости наибольших

[Ьу|, мкм 0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7

Рис.3. Диаграммы зависимости высоты выброса |ЬУ| за один период от стартовых координат дислокации (хо.уо) характерных д 6 з зон I (а) и IV (б). Серым цветом обозначена область, в которой дислокация в начальный момент находиться не может.

Рис.4. Зависимость наибольших суммарных высот выбросов от угла в для различных значений амплитуды ультразвука.

суммарных высот выбросов по плоскости (100) Нунаив от угла 0 при различных значениях амплитуды ультразвука приведены на рис.4

Для и 6 из зоны IV величины наибольшей суммарной высоты выброса как по плоскости (100), так и по плоскости (011), в тех случаях, когда подобные траектории реализуются, ограничиваются только временем воздействия ультразвука

В заключении сформулированы основные результаты и выводы.

1. Установлены закономерности поведения дислокации в ультразвуковом поле и при совместном воздействии ультразвука и неоднородного по пространству поля упругих напряжений, создаваемых винтовой дислокацией, на примере кристалла NaCI, когда плоскостями скольжения являются плоскости (011) и (100).

2. Показано, что в ультразвуковом поле тип траектории дислокации зависит от амплитуды ультразвука и кристаллографической ориентации образца, характеризуемой углом и не зависит от стартовых координат дислокации. В соответствии с типами траекторий дислокации все множество значений делится на 4 зоны. Поперечное скольжение возможно только в одной из этих зон. Деформация кристалла при этом обратима.

3. Показано, что наличие при ультразвуковом воздействии неоднородного по пространству поля напряжений приводит к тому, что поперечное скольжение имеет место при всех амплитудах ультразвука и ориентациях образца, то есть при и 0 из всех 4-х зон.

4. Выявлено, что в переменном во времени и неоднородном по пространству поле напряжений тип траектории дислокации зависит не только от амплитуды ультразвука и кристаллографической ориентации образца, но и от стартовых координат дислокации.

5. Показано, что все множество начальных положений дислокации можно разделить на области (стартовые области), при старте из которых дислокация в первый период ультразвука будет иметь однотипные траектории. Построены карты стартовых областей.

6. Рассчитаны высоты выбросов дислокации в плоскости поперечного скольжения и установлены их зависимости от амплитуды ультразвука, кристаллографической ориентации образца и стартовых координат дислокации.

7. Наличие неоднородного по пространству поля упругих напряжений приводит к тому, что деформация кристалла при ультразвуковом воздействии становится необратимой.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах;

1. Тяпунина НА, Бушуева Г.В., Силис М.И., Подсобляев Д.С., Лихушин Ю.Б., Богуненко В.Ю. Поперечное скольжение дислокации в ультразвуковом поле и влияние на этот процесс амплитуды и частоты ультразвука, ориентации образца и коэффициента динамической вязкости. //ФТТ, 2003, т.45, в.5, с.836-841.

2. Тяпунина НА, Силис М.И., Подсобляев Д.С., Бушуева Г.В., Богуненко В.Ю. Поперечное скольжение дислокации под действием ультразвука в поле неподвижной дислокации. // Материаловедение, 2003, №11,с.2-8.

3. Тяпунина НА, Силис М.И., Бушуева Г.В., Богуненко В.Ю. Движение дислокации в неоднородном по пространству поле напряжений под действием ультразвука. // Материаловедение. В печати.

4. Тяпунина НА, Бушуева Г.В., Силис М.И., Подсобляев Д.С., Лихушин Ю.Б., Богуненко В.Ю. Поперечное скольжение дислокаций в ультразвуковом поле. // Известия ТулГУ. Серия Физика, в.З, Тула, Изд. ТулГУ,2003 г., с.10-16.

5. Бушуева Г.В., Силис М.И., Лихушин Ю.Б., Подсобляев Д.С., Богуненко В.Ю. Поперечное скольжение дислокаций в ультразвуковом поле. // Тезисы докладов X Международной конференции «Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах» Тула, 13-15 ноября 2001 г., Изд. ТулГУ, 2001, с.42.

6. Тяпунина НА, Бушуева Г.В., Силис М.И., Подсобляев Д.С., Богуненко В.Ю. Поперечное скольжение дислокаций в ультразвуковом поле и влияние на этот процесс амплитуды и частоты ультразвука,

ориентации образца и коэффициента динамической вязкости. // Тезисы докладов Всероссийской конференции «Дефекты структуры и прочность кристаллов» Черноголовка, 4-7 июня 2002 г., с.243.

7. Тяпунина НА, Силис М.И., Подсобляев ДС, Бушуева Г.В., Богуненко В.Ю. Влияние неоднородного по пространству поля напряжений на поперечное скольжение дислокаций в ультразвуковом поле. // Тезисы докладов Второй международной конференции по физике кристаллов «Кристаллофизика 21-го века». 28-30 октября 2003 г. М., МИСиС,2003, с. 185-186.

8. Тяпунина НА, Силис М.И., Бушуева Г.В., Богуненко В.Ю. Компьютерное моделирование процесса поперечного скольжения дислокации в ультразвуковом поле. // Материалы Х1_11-й международной конференции "Актуальные проблемы прочности" 26-29 мая 2004 г. Калуга, М..МГТУ им.Н.Э.Баумана, 2004, с.54-55.

»22 7 23

ООП МГУ. Заказ 132-100-04

Введение.

Глава 1. Роль поперечного скольжения в процессе движения дислокации в реальных кристаллах (Обзор литературы).

1.1.Роль поперечного скольжения в преодолении дислокациями препятствий.

1.2.Роль поперечного скольжения в процессах размножения дислокаций.

1.3.Моделирование поперечного скольжения.

1.3.1. Модель Видерзиха.

1.3.2. Моделирование движения дислокации с учетом дальнодействующих полей апряжений.

1.3.3. Моделирование поведения дислокаций при знакопеременном нагружении.

1.4.Постановка задачи.

Глава 2. Движение винтовой дислокации с учетом ее поперечного скольжения в поле одноименной с ней винтовой дислокации

Модель и алгоритм).

2.1.Объект исследования.

2.2.Условия перехода винтовой дислокации из основной плоскости скольжения в поперечную.

2.3.Возможные начальные положения пробной дислокации относительно задающей и выбор диапазона величин внешней нагрузки.

2.4.Модель и алгоритм ЭВМ моделирования движения пробной дислокации в неоднородном поле.

Глава 3. Движение дислокации в ультразвуковом поле.

Глава 4. Движение винтовой дислокации под действием ультразвука в неоднородном по пространству поле напряжений.

4.1 .Особенности движения дислокации при о° и 6, принадлежащих зоне I диаграммы а°-6.

4.2,Особенности движения дислокации при о° и 6, принадлежащих зоне II диаграммы а°-6.

4,З.Особенности движения дислокации при ст° и в, принадлежащих зоне III диаграммы а°-в.

4.4.0собенности движения дислокации при <т° и 0, принадлежащих зоне IV диаграммы <т°-6.

4.5.3ависимость формы и размера стартовых областей от частоты ультразвука и коэффициента динамической вязкости.

4.6.Сравнение особенностей движения дислокации только в ультразвуковом поле и в присутствии неподвижной дислокации.

Глава 5. Высоты выброса дислокации в результате поперечного скольжения.

5.1.Высоты выброса винтовой дислокации при одном ультразвуковом воздействии.

5.2.Высоты выброса винтовой дислокации под действием ультразвука в неоднородном по пространству поле напряжений.

5.3.Суммарный выброс винтовой дислокации под действием ультразвука в неоднородном по пространству поле напряжений.

К числу фундаментальных проблем физики твердого тела относится установление связи между макроскопическими характеристиками материалов, их структурно-чувствительными свойствами и микропроцессами и дефектами кристаллической структуры. Свойства кристаллов зависят не только от концентрации дефектов, но и от характера их движения и взаимодействия. При различных внешних воздействиях характер движения и взаимодействия дефектов может меняться, следствием чего может являться изменение физических свойств кристаллов. Воздействуя на кристалл различными полями, можно целенаправленно изменять систему его структурных дефектов, а, следовательно, и его физические свойства, что важно для прикладных целей и является одной из основных задач современного материаловедения. Одним из таких воздействий, широко использующихся на практике, является ультразвук. Ультразвуковое воздействие дает возможность изменять свойства кристаллов, меняя в широком интервале плотность дислокаций и обусловливая формирование особых дислокационных структур, не создающих в кристалле дальнодействующих полей напряжений. При ультразвуковом воздействии важную роль играет процесс поперечного скольжения дислокаций, поскольку в его отсутствие невозможно эффективное размножение дислокаций.

Происходящие в кристаллах процессы изменения структурных дефектов, как правило, не линейны, что определяет сложность их аналитического описания и требует численного решения соответствующих задач.

Целью данной работы являлось исследование методом ЭВМ-моделирования процесса движения дислокации с учетом поперечного скольжения под действием ультразвука в неоднородном по пространству поле упругих напряжений при различных параметрах задачи (частотах и амплитудах ультразвука, ориентациях образцов относительно направления ультразвуковой волны и др.).

На примере щелочно-галоидных кристаллов впервые исследован процесс поперечного скольжения дислокаций в неоднородном по пространству поле напряжений, в широком интервале кристаллографических ориентаций образцов относительно направления ультразвуковой волны и амплитуд ультразвука вплоть до критической, при которой начинается размножение дислокаций.

Определены типы траекторий, законы движения дислокаций и высоты выброса дислокации (расстояния проходимые дислокацией по плоскости поперечного скольжения).

Впервые установлена зависимость типов траекторий от амплитуды напряжения ультразвука (ст°) и кристаллографической ориентации образца относительно направления ультразвуковых колебаний, характеризуемого углом 0.

Впервые для всего множества значений и 6 установлены размеры и формы областей ("стартовых областей"), начиная движение из которых дислокация имеет однотипные траектории в первый период ультразвука.

Показано, что обратимые при ультразвуковом воздействии деформации в присутствии неоднородного по пространству поля упругих напряжений становятся необратимыми.

Тема данных исследований относится к одной из фундаментальных проблем физики твердого тела - проблеме влияния различных полей на физические свойства кристаллов. Приведенные в диссертации данные важны для более глубокого понимания причин и микромеханизмов изменения физических свойств кристаллов под действием ультразвука. Результаты могут быть использованы и для прикладных целей, например, для прогнозирования поведения материалов, подвергающихся вибрационным нагрузкам.

Положения выносимые на защиту:

1. Модернизированный метод моделирования на ЭВМ процесса движения дислокаций, с учетом поперечного скольжения под действием ультразвука в неоднородном по пространству поле упругих напряжений при длительном ультразвуковом воздействии.

2. Результаты исследования процесса поперечного скольжения дислокации в зависимости от параметров ультразвука и коэффициента динамической вязкости для кристаллов Л/аС/ различной кристаллографической ориентации.

3.Типы траекторий дислокаций и их зависимости от параметров ультразвука, кристаллографической ориентации образца и стартовых координат дислокации.

4.Поперечное скольжение возможно при старте дислокации только из определенных областей пространства, форма, размер и расположение которых зависят от параметров ультразвука, кристаллографической ориентации образца и коэффициента динамической вязкости.

5.3ависимости высот выброса по плоскостям поперечного скольжения от амплитуды напряжения и частоты ультразвука, кристаллографической ориентации образца, коэффициента динамической вязкости.

Заключение

В диссертационной работе проведено исследование процесса движения дислокации, с учетом поперечного скольжения, под действием ультразвука в неоднородном по пространству поле напряжений применительно к кристаллам Л/аС/ для всевозможных значений кристаллографических ориентаций образца и в широком интервале амплитуд ультразвука. Исследование проводилось методом ЭВМ-моделирования. В результате был детально описан процесс движения винтовой дислокации под действием ультразвука в поле одноименной с ней неподвижной дислокации.

На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы:

1. Установлены закономерности поведения дислокации в ультразвуковом поле и при совместном воздействии ультразвука и неоднородного по пространству поля упругих напряжений, создаваемых винтовой дислокацией на примере кристалла Л/аС/, когда плоскостями скольжения являются плоскости (011) и (100).

2. Показано, что в ультразвуковом поле тип траектории дислокации зависит от амплитуды ультразвука а° и ориентации образца, характеризуемой углом 6, и не зависит от стартовых координат дислокации. В соответствии с типами траекторий дислокации все множество значений а° и 0 делится на 4 зоны. Поперечное скольжение возможно только в одной из этих зон. Механическая дислокационная деформация при этом обратима.

3. Показано, что наличие при ультразвуковом воздействии неоднородного по пространству поля напряжений приводит к тому, что поперечное скольжение имеет место при всех амплитудах ультразвука и ориентациях образца, то есть при а° и 0 из всех 4-х зон.

4. Выявлено, что в переменном во времени и неоднородном по пространству поле напряжений тип траектории дислокации зависит не только от амплитуды ультразвука и кристаллографической ориентации образца, но и от стартовых координат дислокации.

5. Показано, что все множество начальных положений дислокации можно разделить на области (стартовые области), при старте из которых дислокация в первый период ультразвука будет иметь однотипные траектории. Построены карты стартовых областей.

6. Рассчитаны высоты «выбросов» дислокации в плоскостях поперечного скольжения и установлены их зависимости от амплитуды ультразвука, кристаллографической ориентации образца и стартовых координат дислокации.

7. Наличие неоднородного по пространству поля упругих напряжений приводит к тому, что деформация кристалла при ультразвуковом воздействии становится необратимой.

1. Koehier J.S., Phys. Rev. 1952, 86, N 1, p.52.

2. Orovan E. Dislocations and Mechanical Properties. In: Dislocations in Metals. Ed. by M. Cohen. New York, 1954, p.69.

3. Basset G.A. Phil. Mag., 1958, v.3, №33, p.1042.

4. Johnston W.G., Gilman J.J. J.Appl.Phys. 1960, V.31, P.632.

5. Appel F., Messerschmidt U., Smidt V. et. al. Mater. Sci. and Eng. 1982, V.56, p.211.

6. Тяпунина H.A., Благовещенский В.В., Зиненкова Г.М. Деп. Рукопись. ВИНИТИ, №3769-83. Деп. 1983

7. Предводителев А.А. В сб.: «Физика деформационного упрочнения монокристаллов», Киев, 1972, С.74

8. Li J.C.M. J.Appl.Phys., 1961, v.32, N 6, р.593.

9. Loh В.Т.М. In: Proc. Internat. Conf. on the Strength of Metals and Alloys, Senday, 1968, p. 13.

10. Игонин С.И., Предводителев А.А. Вестник МГУ, физика, 1975, N5, С.588.

11. Ничуговский Г.И., Веселов В.И., Бушуева Г.В. Изв. вузов, физика, 1988, N12, С.68.

12. Малыгин Г.А. ФТТ, 1995, V.37, N 1, С.З.

13. Предводителев А.А., Игонин С.И. ФТТ, 1977, 19, N9, С.1774.

14. Игонин С.И. Автореферат кандидатской диссертации, МГУ, 1979.

15. Тяпунина Н.А., Благовещенский В.В., Зиненкова Г.М., Ивашкин Ю.А. Известия ВУЗов, физика, 1982, №6, С.118

16. Благовещенский В.В., Тяпунина Н.А. ДАН СССР. 1980. Т.254. №4. С.869.

17. Благовещенский В.В., Тяпунина H.A. Материаловедение, 2001, № 8, С.2.

18. Благовещенский В.В., Тяпунина H.A. Материаловедение, 2001, № 10, с.2.

19. Tyapunina N.A., Blagoveshchensk» V.V. Phys. Stat. Sol.(a). 1982. V.69. P.77.

20. Тяпунина H.A., Наими E.K., Зиненкова Г.М. Действие ультразвука на кристаллы с дефектами. М., Изд-во Моск. Ун-та, 1999. 238 с.

21. Предводителев A.A., Бушуева Г.В., Полисар Л.М. Дефекты в кристаллах и их моделирование на ЭВМ. Л.: Наука, 1980, С. 192.

22. Бушуева Г.В. Эволюция дефектной структуры кристаллов. (Моделирование на ЭВМ) Л., изд. ФТИ им. А,Ф, Иоффе, 1984, С.4.

23. Предводителев A.A., Тяпунина H.A., Зиненкова Г.М., Бушуева Г.В. Физика кристаллов с дефектами. М., Изд-во Моск. Ун-та, 1986, 240 с.

24. Wiedersich Н. J. AppL Phys., 1962, 33, N 3, р.854.

25. Ничуговский Г.И., Веселов В.И., Александров И.А. Феноменологическое описание процесса развития дислокационной структуры полосы скольжения на начальной стадии. Деп. ВИНИТИ, № 6570, 1986.

26. Веселое В.И., Ничуговский Г.И. Кинетика процесса размножения дислокаций вблизи поверхности кристалла. Деп. ВИНИТИ, № 1838, 1983, 30 С.

27. Веселов В.И., Ничуговский Г.И., Предводителев A.A. Известия ВУЗов, физика, 1981, №9, С.82.

28. Веселов В.И., Ничуговский Г.И., Предводителев A.A. Известия ВУЗов, физика, 1983, №1, С.65.

29. Нацик В.Д., Чишко К.А. ФТТ. 1975. Т.17, № 1. С.342.

30. Предводителев A.A. В сб.: «Динамика дислокаций», Киев, Наукова думка, 1975, С. 178.

31. A.M. Косевич. УФН., 1964, Т.84, №4, С.579.

32. Yokobory Т., Yokobory А.Т., Kamei A. Phil. Mag. 1974, V.30, р.367.

33. Нацик В.Д., Чишко К.А. Физика конденсированного состояния. Вып.33. Харьков, 1974. С.44.

34. Нацик В.Д., Чишко К.А. Динамика и звуковое излучение дислокационного источника Франка-Рида.П. Препринт ФТИНТ АН УССР. Харьков, 1976.

35. Леготин Д.Л., Тяпунина H.A. ЖТФ. 1994. Т.64. С.105

36. Мотт Н. Дислокации и механические свойства кристаллов. М. ИЛ. 1960. С.321

37. Благовещенский В. В., Леготин Д. Л., Тяпунина H.A. Материаловедение. 2002, №6, С.2.

38. Атта А., Благовещенский В.В., Зиненкова Г.М., Тяпунина H.A. ФММ, 1982, Т.54, С.347.

39. Зиненкова Г.М., Лихушин Ю.Б., Тяпунина H.A. Изв. АН СССР. 1984, Т.48, №2, С.250.

40. Белозерова Э.П., Благовещенский В.В., Зиненкова Г.М., Тяпунина H.A., Светашов A.A. Изв. Вузов. Физика. 1984, № 3, С.52.

41. Тяпунина H.A., Наими E.K. Вест. Моск. ун-та. Сер. Физика. Астрономия. 1976. № 3. С.313.

42. Подсобляев Д.С. Автореферат кандидатской диссертации, МГУ, 1999г.

43. Предводителев A.A. В сб.: «Динамика дислокаций», Харьков, 1968, С.311.

44. Московская Т.А., Предводителев A.A., Захарова М.В. В сб.: «Взаимодействие между дислокациями и атомами примесей и свойства металлов», Тула, 1974, С.71.

45. Московская Т.А., Предводителев A.A., Захарова М.В. Известия ВУЗов, 1973, №8, С. 153.

46. Предводителев A.A., Степанова В.М., Носова H.A., «Кристаллография», 1966, №11, С.632.

47. Предводителев A.A., Ракова Н.К., Нан Хун-бинь, «Физика твердого тела», 1967, №9, С.300.

48. Степанов A.B., Милькаманович Е.А., ЖЭТФ, 1948, Т.18, С.769.

49. Stunk Н. Phys. Stat. Sol. (а), 1975, V.28, p. 119.

50. Степанов A.B., Бобриков В.П.ЖТФ, 1956, Т.26, С.795.

51. Хирт Д., Лоте И. Теория дислокаций, М, 1972, 599 с.

52. A.M. Косевич. Дислокации в теории упругости. Киев, Наукова думка, 1978.