Компьютерное моделирование процесса поперечного скольжения дислокаций при различных режимах нагружения кристаллов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Введение.

Глава 1. Обзор литературы.

§1.1. Влияние внутренних полей напряжений на процесс поперечного скольжения дислокаций.

§1.2. Постановка задачи.

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

§2.1. Условие перехода винтовой дислокации из основной плоскости скольжения в поперечную.

§2.2. Описание модели и метода расчета.

§2.3. Выбор начального положения пробной дислокации и величины внешнего напряжения.

Глава 3. Движение винтовой дислокации в поле одноименной с ней дислокации под действием постоянной нагрузки.

§3.1. Области движения пробной дислокации в поле задающей по основным плоскостям скольжения.

§3.2. Области движения пробной дислокации в поле задающей по плоскостям поперечного скольжения.

§3.3. Возможные типы траекторий движения дислокации при постоянной внешней нагрузке.

§3.4. Траектории движения пробной винтовой дислокации в поле одноименной с ней задающей дислокации при различных значениях и различных направлениях внешней нагрузки. Критические значения внешнего напряжения.

§3.5. Высоты выброса дислокации в результате поперечного скольжения

Глава 4. Моделирование движения винтовой дислокации в поле одноименной с ней дислокации под действием ультразвука.

§4.1. Траектории движения пробной винтовой дислокации в поле одноименной с ней задающей дислокации при знакопеременной внешней нагрузке.

§4.2 Зависимость размера и формы областей старта пробной винтовой дислокации от параметров задачи.

§4.3. Высоты выброса дислокации в результате поперечного скольжения

ЧАСТЬ 2. ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА ПРОЧНОСТНЫЕ И ДИССИПАТИВНЫЕ СВОЙСТВА АЗОТИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Введение.

Глава 5. О возможных изменениях свойств материалов в результате азотирования и деформирования ультразвуком.

§5.1. Азотирование стали.

§5.2 Деформационное упрочнение ультразвуком.

Глава 6. Техника эксперимента и исследованные образцы.

§6.1. Метод пьезоэлектрического составного осциллятора.

§6.2. Исследование механических свойств методом микроиндентирования.

§6.3 Исследованные образцы.

ГЛАВА 7. ВЛИЯНИЕ АЗОТИРОВАНИЯ И УЛЬТРАЗВУКА НА ПРОЧНОСТНЫЕ И ДИССИПАТИВНЫЕ СВОЙСТВА СТАЛИ 40ХН.

§7.1 ВАХ составного осциллятора с образцами стали 40ХН.

§7.2. Влияние ультразвука на диссипативные свойства исходных и азотированных образцов стали 40 ХН.

§7.3. Изменение микротвердости приповерхностных слоев образцов стали 40ХН после азотирования и УЗ воздействия.

§7.4. О возможных механизмах упрочнения и разупрочнения азотированных образцов под действием ультразвука.

Процесс поперечного скольжения играет важную роль в развитии пластической деформации кристаллов. Так, поперечное скольжение представляет собой один из механизмов преодоления скользящей дислокацией локальных или протяженных барьеров. Поперечное скольжение служит важным способом формирования источников размножения дислокаций по механизму, известному как двойное поперечное скольжение, предложенному Келером [1] и Орованом [2]. С двойным поперечным скольжением тесным образом связан процесс образования и расширения полос скольжения, характерный для начальной стадии пластической деформации.

Как показано в [3], поперечное скольжение может играть существенную роль в процессе аннигиляции винтовых дислокаций, представляющем собой механизм динамического отдыха, характерный для третьей стадии деформационного упрочнения металлов с ГЦК и ОЦК решетками.

Особое значение поперечное скольжение приобретает, если кристалл подвергается действию знакопеременного нагружения. В этом случае, даже когда дислокации генерируются источниками Франка-Рида, их работа оказывается неэффективной без поперечного скольжения [4-6]. Это обусловлено тем, что в следующие друг за другом полупериоды нагружения источник испускает дислокации противоположных знаков, и дислокации, испущенные источником за один полупериод и оставшиеся в первичной плоскости скольжения, аннигилируют в течение следующего полупериода.

Явление поперечного скольжения наблюдалось во многих кристаллах при помощи различных экспериментальных методов: вакуумное декорирование, рентгеновская топография, электронная микроскопия и другие как при знакопостоянном, так и при знакопеременном нагружении (см., например, [7-9]). 5

Факт реальности процесса поперечного скольжения достоверно установлен и не вызывает сомнений, но вопрос о причинах, побуждающих дислокации выходить из плоскости легкого скольжения и двигаться в плоскости поперечного скольжения, и о механизмах поперечного скольжения изучен недостаточно.

Заключение

Диссертационная работа состоит из двух частей. Первая и основная ее часть состоит из 4 глав и посвящена ЭВМ моделированию процесса поперечного скольжения винтовой дислокации в неоднородном поле внутренних напряжений под действием постоянной нагрузки и ультразвука. Во второй части приводятся результаты экспериментов по влиянию ультразвука на прочностные и диссипативные свойства азотированных сталей.

Для достижения задачи, поставленной в части 1, разработан метод ЭВМ-моделирования поперечного скольжения винтовой прямолинейной дислокаций (созданы модель, алгоритм и пакет программ).

Впервые моделирование процесса поперечного скольжения дислокации под действием постоянной нагрузки и в ультразвуковом поле проведено с использованием уравнения вязкого движения дислокации. Моделирование проводилось применительно к кристаллам ЫаС!, источником неоднородного по пространству поля напряжений служила неподвижная винтовая дислокация, одноименная с движущейся. Для случая постоянной нагрузки получено аналитическое решение.

С помощью разработанного метода детально описан процесс движения винтовой дислокации под действием постоянной и знакопеременной нагрузок в поле одноименной с ней неподвижной.

Определены траектории движения при различной кристаллографической ориентации образцов по отношению к приложенной нагрузке для различных значений постоянной нагрузки и различных амплитудах и частотах ультразвука.

Показано, что под действием как постоянной, так и ультразвуковой нагрузок винтовая дислокация может испытывать многократное поперечное скольжение.

Установлено, что при постоянной нагрузке в зависимости от взаимного расположения дислокаций в начальный момент времени (стартового положения дислокации) возможны следующие типы движения:

• дислокация преодолевает поле задающей скольжением по первичной плоскости

• дислокация преодолевает поле задающей за счет реализации поперечного скольжения

• происходит остановка скользящей дислокации, т.е. ее «захват» в поле задающей

Впервые определены траектории движения дислокаций в неоднородном по пространству поле внутренних напряжений при нагрузке, периодически изменяющейся во времени для частот ультразвукового диапазона.

Показано, что движение дислокации в ультразвуковом поле описывается суперпозицией поступательного и колебательного движений.

Установлено, что при ультразвуковом воздействии в зависимости от взаимного расположения дислокаций в начальный момент времени возможны следующие типы движения:

• дислокация движется только по первичной плоскости скольжения

• дислокация при своем движении испытывает поперечное скольжение

Однако в отличие от постоянной внешней нагрузки, дислокация в обоих случаях может как преодолеть, так и не преодолеть поле задающей

• дислокация попадает в зону захвата, в которой, в отличие от случая постоянной нагрузки, дислокация не останавливается, а совершает периодическое движение.

Впервые для случая знакопеременной нагрузки определены области пространства, стартуя из которых реализуется каждая из указанных возможностей. Особо следует отметить, что дислокация может попасть в зону захвата при ультразвуковой нагрузке, только если она стартует с некоторой поверхности. Расположение и форма этой поверхности зависит от условий внешней нагрузки.

Впервые рассчитаны координаты и время выхода дислокации из первичной плоскости легкого скольжения в плоскость поперечного скольжения и высоты «выбросов», т.е. расстояния между первичной и вторичной плоскостями легкого скольжения, под действием постоянной нагрузки и в ультразвуковом поле.

Предложенная в данной работе методика ЭВМ моделирования может быть использована при любых неоднородных по пространству внутренних полях напряжений. Для этого достаточно в системе уравнений и неравенств заменить выражения компонент поля винтовой дислокации на компоненты соответствующего поля.

Сравнительный анализ данных о поведении дислокаций при постоянной нагрузке и в ультразвуковом поле позволяет сделать следующие выводы:

1.1 Поле задающей винтовой дислокации может вызывать поперечное скольжение движущейся дислокации и при постоянной, и при знакопеременной внешних нагрузках.

1.2 Поперечное скольжение будут испытывать дислокации, стартующие только из определенных областей пространства. Форма и размер областей зависят от конфигурации внутреннего поля и от соотношения компонент напряжения, обусловленных внешней нагрузкой, в плоскостях легкого и поперечного скольжения.

1.3 Высота выбросов зависит от стартового положения подвижной дислокации в неоднородном по пространству поле внутренних напряжений, от режима нагружения и кристаллографической ориентации образца относительно внешней нагрузки. При обычно используемых в опытах значениях напряжений высота выброса может составлять десятки микрон.

1.4 При условиях равенства величины постоянной нагрузки амплитудному значению напряжения в стоячей ультразвуковой волне, высоты выбросов оказываются одинаковыми, если факторы Шмида для плоскостей легкого и поперечного скольжения равны (1711=1712). При гтнстг выбросы при постоянной нагрузке больше, чем при ультразвуковом воздействии, а если т1>т2, то выбросы под действием ультразвука оказываются больше выбросов при постоянном нагружении.

В части 2 экспериментально исследовано влияние ультразвука на прочностные и диссипативные свойства азотированных образцов

140 конструкционных сталей 40ХН в интервале амплитуд деформации от 10"6 до ~3*10"4 при частоте 33 кГц на воздухе при комнатной температуре. Прочностные свойства приповерхностных слоев изучены методом микротвердости, а свойства образцов в целом - ультразвуковыми методами.

Анализ полученных экспериментальных данных о влиянии ультразвукового воздействия на прочностные и диссипативные свойства азотированной стали 40ХН позволяет сделать следующие выводы:

2.1 Установлено, что на разных стадиях действия ультразвука может наблюдаться как упрочнение, так и разупрочнение азотированных образцов в зависимости от их предыстории и режима испытания.

2.2 Показано, что большую роль играет порядок чередования азотирования и ультразвукового воздействия. Под действием ультразвука быстрее достигает стационарного состояния тот из образцов, который еще до азотирования был подвергнут ультразвуковой обработке.

2.3 Установлено, что микротвердость приповерхностных слоев азотированных сталей под действием ультразвука уменьшается независимо от того упрочнился или разупрочнился образец в целом, но остается больше, чем у исходных образцов. Изменение микротвердости азотированных образцов коррелирует с распределением амплитуды напряжения в стоячей ультразвуковой волне.

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. Малыгин Г.А. ФТТ, 1995, V.37, N 1, C.3.

4. Бушуева Г.В., Ничуговский Г.И., Тяпунина H.A. В сб.: "Моделирование на ЭВМ дефектной структуры кристаллов". П., ФТИ им. А.Ф. Иоффе, 1987, С.50.

5. Благовещенский В.В. Автореферат кандидатской диссертации, МГУ, 1982г.

6. Тяпунина H.A., Благовещенский В.В., Зиненкова Г.М., Ивашкин Ю.А. Известия ВУЗов, физика, 1982, №6, с.118

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

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

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

10. Wiedersich H. J. AppL Phys., 1962, 33, N 3, p.854.

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

12. Игонин С.И., Предводителев A.A. Вестник МГУ, физика, 1975, N5, с.588.

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

14. Игонин С.И. Автореферат кандидатской диссертации, МГУ, 1977.

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

16. Предводителев A.A. В сб.: «Физика деформационного упрочнения монокристаллов», Киев, 1972, с.74

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

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

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

20. Предводителев A.A., Ракова Н.К., Нан Хун-бинь, «Физика твердого тела», 1967, №9, с.ЗОО.

21. Степанов A.B., Милькаманович Е.А., ЖЭТФ, 18, 769, 1948.

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

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

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

25. Тяпунина H.A. Автореферат докторской диссертации, МГУ, 1972.

26. Тяпунина H.A., Наими Е.К. Вестник МГУ, 1976. серия 3. Физика. Астрономия. №3, с.313.

27. Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. Азотирование стали. М.: Машиностроение. 1976, 256 с.

28. Каплина Г.С., Жуковский Г.Л. К вопросу о механизме начальной стадии процесса азотирования. В кн. "Защитные покрытия на металлах" вып. 6, 1972, с.73-80.

29. Schmid Е. Journal "Japan Jnsd metall", 1968, 2, sup 1, p. 997.

30. Тяпунина H.A. Упрочнение монокристаллов под влиянием ультразвуковых колебаний. В кн. «Физика деформационного упрочнения монокристаллов». Киев. Наукова думка. 1972. с.228.

31. Пала Е.В. Особенности пластического деформирования ультразвуком щелочногалоидных кристаллов. Автореферат кандидатской диссертации. М., МГУ, 1992.

32. Marx J. Use to the piezoelectric gauge for internal friction measurements. Rev. Scient. Instrum. 1951.V.22. P.503.

33. Швидковский Е.Г., Дургарян A.A. Зависимость внутреннего трения и модуля Юнга от температуры для некоторых металлов. Научные доклады высшей школы. Физ-мат.науки. 1958. Т.1. №5. С.211.

34. Наими Е.К. Автореферат докторской диссертации, МИСиС, 1992.