WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |

На правах рукописи

Черепанов Дмитрий Николаевич ГЕНЕРАЦИЯ И НАКОПЛЕНИЕ ТОЧЕЧНЫХ ДЕФЕКТОВ В ПРОЦЕССЕ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ В МОНОКРИСТАЛЛАХ С ГЦК-СТРУКТУРОЙ Специальность 01.04.07 – физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск - 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Томский государственный архитектурностроительный университет» на кафедре высшей математики общеобразовательного факультета

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор В.А. Старенченко

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Э.В. Козлов доктор физико-математических наук, профессор А.И. Потекаев

Ведущая организация: Институт металловедения и физики металлов им. Г.В. Курдюмова при ФГУП «ЦНИИчермет им. И. П. Бардина»

Защита состоится « 24 » декабря 2009 г. в 14.30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.267.07 при Томском государственном университете по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета Автореферат разослан « 20 » ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.267.07 доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник И.В. Ивонин 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важнейшим фактором, отвечающим за формирование и эволюцию субструктур деформации в материалах на всех стадиях деформационного упрочнения, является наличие высокой плотности деформационных неравновесных точечных дефектов. Деформационные точечные дефекты играют важную роль в таких явлениях, как аномальный диффузионный массоперенос, ползучесть, рекристаллизация, внутреннее трение, порообразование, электропроводность. Диффузией точечных дефектов обусловлен ряд технологических процессов (механоактивация, отжиг, спекание порошков и др.). Однако до настоящего времени всё ещё остаются неясными теоретические представления о процессах генерации, накопления, аннигиляции и трансформации точечных дефектов в процессе деформации. Поэтому актуальность данной работы связана с тем, что во многих случаях проблемы, связанные с точечными дефектами, имеют принципиальное значение и не решены к настоящему времени.

Целью работы является построение и исследование математической модели генерации и накопления точечных дефектов в процессе одноосной квазистатической деформации с постоянной скоростью монокристаллов с ГЦК-структурой, ориентированных для множественного скольжения, в рамках концепции упрочнения и отдыха.

Модель строится, исходя из представлений о структуре дефектов, законах их взаимодействия, рождения и микромеханизмах движения, о механизмах релаксации напряжений и т.п., которые получены как рядом авторов из теоретических соображений, так и из непосредственных экспериментальных наблюдений.

Достижение поставленной цели осуществляется путем решения следующих задач:

– учет в уравнениях кинетики точечных дефектов зависимости плотности порогов на винтовых дислокациях от скорости дислокации и, в конечном итоге, от напряжения;

– расширение модели путём введения в уравнения математической модели соотношений, учитывающих изменение параметров фрагментированной субструктуры с деформацией;

– согласование уточнённой системы уравнений кинетики пластической деформации с экспериментально наблюдаемыми зависимостями:

а) деформирующих напряжений от степени деформации (кривыми деформации); б) зависимостью скалярной и избыточной плотностей дислокаций от степени деформации; в) зависимостью параметров фрагментированной субструктуры (размер фрагментов и их разориентация) от степени деформации;

– исследование зависимости концентрации точечных дефектов от степени деформации и проведение сравнения с имеющимися экспериментальными данными на основе построенной и протестированной модели.

Научная новизна и ценность Рассмотрена кинетика порогов на движущейся винтовой дислокации с учётом динамики движения дислокации. Совместно рассмотрены уравнения, описывающие движение дислокации, и уравнение кинетики порогов.

Получены выражения для зависимости стационарной плотности порогов от деформирующего напряжения.

Рассмотрен механизм динамической генерации точечных дефектов при волочении порогов винтовой дислокацией, учитывающей зависимость генерации точечных дефектов от скорости движения дислокации и, в конечном итоге, от деформирующего напряжения.

В рамках единых представлений о механизмах пластической деформации и формирования разориентированной дефектной субструктуры ГЦК-металлов проведено исследование пластической деформации на основе дифференциальных уравнений кинетики дефектов. Для этого, во-первых, были внесены изменения в механизм генерации точечных дефектов, связанные с неоднородностью пластической деформации, во-вторых, введены параметры разориентации и, в-третьих, проведено сравнение данных моделирования по дефектной структуре и параметрам фрагментированной субструктуры с соответствующими экпериментальными данными.

Проведено сравнение данных моделирования по концентрации вакансий, углу разориентации и диаметру фрагментов с известными экспериментальными данными.

Полученные результаты могут быть использованы для создания математических моделей пластической деформации на глубоких стадиях деформации и на стадии предразрушения, а также в построении теории пластичности и прочности материалов. Численные результаты могут использоваться материаловедами для анализа процессов изменения дефектной структуры ГЦК-металлов при обработке давлением.

Достоверность полученных результатов и обоснованность выводов обеспечивается корректностью постановки задач и их физической обоснованностью, использованием требуемого комплекса методов исследования и современных вычислительных средств, достаточным объемом используемых для сравнения экспериментальных данных с полученными теоретически в результате моделирования, а также физической интерпретацией полученных данных.

Личный вклад автора. Основные результаты диссертационной работы получены автором как в индивидуальных, так и в коллективных исследованиях. Вклад автора выражается в постановке решаемых задач совместно с научным руководителем, профессором В.А. Старенченко, разработке путей и методов их решения, разработке алгоритмов и создании компьютерных программ расчета, проведении непосредственных аналитических и численных расчетов, обсуждении и интерпретации полученных в ходе выполнения работ результатов.

По результатам работы на защиту выносятся:

1. Модель кинетики порогов на движущейся винтовой дислокации.

2. Математическая модель генерации и накопления точечных дефектов, учитывающая зависимость плотности порогов от скорости движения винтовых дислокаций, изменение плотности дислокаций в границах разориентации в зависимости от деформации, динамическую и квазистатическую составляющую в процессе формирования дислокационных стенок, а также влияние концентрации точечных дефектов на кинетику формирования плотности дислокаций в дислокационных стенках.

3. Математическая модель формирования и эволюции разориентированной субструктуры, описывающая размер фрагментов и величину разориентации.

4. Результаты численных расчётов зависимостей плотности вакансий от степени деформации, плотности дислокаций от степени деформации, зависимости параметров фрагментированной субструктуры (размер фрагментов, разориентация фрагментов), напряжения от степени деформации. Сравнение данных моделирования с различными экспериментальными данными по кривым упрочнения, концентрации вакансий, плотности дислокаций и параметрам фрагментированной субструктуры.

Апробация работы. Основные результаты работы были изложены и обсуждены на следующих научных конференциях: 2-я Межд. школасеминар. Эволюция дефектных структур в металлах и сплавах. Барнаул, 1994; 10-я национальная (Первая международная) Зимняя Школа по механике сплошных сред. Пермь, 1995; Международная конференция. Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений. Тамбов, 1996;

Международная конференция. Всесибирские чтения по математике и механике. Томск, 1997; 2-я Всероссийская конференция молодых ученых. Физическая мезомеханика материалов. 23–25 ноября, 1999; Эволюция дефектных структур в металлах и сплавах. Барнаул. 2000–2001; 8-я Всероссийская научно-техническая конференция. Томск, 2000; V Международный семинар «Современные проблемы прочности» им. В.А.Лихачёва, 17–21 сентября, 2001, Старая Русса; Современные проблемы машиностроения и приборостроения. Томск 24–28 сентября, 2002; V международная научная конференция «Прочность и разрушение материалов и конструкций», 12–14 марта, 2008, Оренбург; 47 Международная конференция «Актуальные проблемы прочности» 1–5 июля, 2008, Нижний Новгород; Региональная научная конференции «Перспективные материалы и технологии», 28–29 мая, 2008, Томск; Международная конференция по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов. Томск 7–11 сентября, 2009.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ.

Основные результаты диссертации опубликованы в 3 статьях в рецензируемых отечественных научных журналах, 14 статьях и тезисах в трудах международных и региональных конференций и семинаров, 3 статьях, депонированных в ВИНИТИ. Три статьи напечатаны в журналах, входящих в перечень ВАК и рекомендованных для опубликования результатов диссертации на соискание ученой степени кандидата наук по физике. В автореферате приведен список основных публикаций из 8 наименований.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, основных выводов, списка литературы и приложения. Общий объем 195 страниц, включая 34 рисунка, библиографию из 262 наименований и приложение на 10 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель, основные задачи исследований, научная новизна и ценность полученных результатов.

Первая глава содержит обзор, посвящённый развитию моделирования пластической деформации и деформационного упрочнения в рамках концепции упрочнения и отдыха, в основе которой лежат взаимодействия между дефектами кристаллического строения, образующимися в результате воздействий на кристаллический материал.

Рассмотренные различные математические модели эволюции дефектной структуры материала были разделены на две группы. Уравнения моделей первой группы записаны по аналогии с уравнениями, описывающими другие явления (уравнения химической кинетики, уравнения эволюции популяций и т. п.). Уравнения этих моделей не содержат концентрации точечных дефектов в явном виде, но часто предполагается наличие точечных дефектов для осуществления механизмов отдыха. Как правило, к уравнениям кинетики дефектов добавляется выражение для напряжения, учитывающее те или иные механизмы торможения дислокаций, и выражение для скорости пластической деформации. Совместное решение такой системы уравнений позволяет получить зависимость приложенного напряжения от степени деформации.

При помощи моделей, основанных на уравнениях баланса средней плотности дислокаций (В. Джонстон и Дж. Гилман (1959); Н.С. Акулов (1961); Ли (1963); Ильшнер (1966); Лагнеборг (1969); Гиттус (1970); Бергстрем и Робертс (1970); Кокс, Аргон и Эшби (1975); Кокс и Мэйкин (1981);

Л.Е. Попов и В.С. Кобытев (1978); Р.З. Валиев (1979); Л.Е. Попов (1981);

Бергстрем (1983); Эстрин, Мэйкин (1984); Клепачко (1987); Л.Е. Попов (1990); Г.А. Малыгин (1999, 2002, 2007)), помимо кривой упрочнения, можно изучать только изменение суммарной плотности дислокаций со степенью деформации. Дислокации в этих моделях рассматриваются как точки или как прямолинейные отрезки, а взаимодействия между ними – по аналогии с химическими реакциями. Коэффициенты реакций являются варьируемыми параметрами. Уравнения, записанные по аналогии с уравнением диффузии (Кратохвил (1988); Г.А. Малыгин (1991, 2001)), позволяют также рассматривать распределение дислокаций.

Модели, основанные на уравнениях баланса дислокационных популяций, позволяют изучать механизмы упрочнения материала, а также образование и эволюцию дислокационных субструктур. Дислокационные популяции различаются по подвижности (А.Н. Орлов (1972); В.И. Владимиров (1973); Б.А. Гринберг (1978); Б.И. Смирнов (1981); Кубин, Эстрин (1990);

Анантакришна (1992); Антони и Азирни (1993); Г.А. Малыгин (1995); Таборт (1997); Арсеналис (2004); Г.Ф. Сарафанов (1995, 2001)) и принадлежности к неразориентированным (Эссман и Муграби (1979); Принц и Аргон (Prinz, Argon, 1984); Вэлграф и Айфантис (1985); Аргон и Хаазен (Argon, Haasen, 1993); Эссман и Дифферт (1988); Нагорных С.Н., Сарафанов (1991);

Г.Ф. Мюллер, Зехетбауэр (Muller, Zehetbauer, 1995); Г.Ф. Сарафанов (1997)) или разориентированным (Арсеналис и соавторы (1999); Бамман (Bamman, 2001); Кокс с соавторами (2003); Г.Ф. Сарафанов (2001, 2007, 2008)) субстрктурам.

Уравнения, учитывающие наличие мезодефектов, позволяют изучать влияние разного вида границ (А.Н. Орлов (1972); Засимчук и Селицер (1984); В.А. Старенченко (1989)) и дисклинаций (Барахтин Б.К., Владимиров В.И., Иванов С.А. и др. (1987); Зейфельдт (1998)) на пластическую деформацию материала, а также формирование структуры предразрушения, в которой образуются поры и трещины (Ш.Х. Ханнанов (1984); А.Л. Колесникова, И.А. Овидько, А.Е. Романов (1997)).

К другой группе (Мэйкин и Эстрин (1980); Л.Е. Попов, В.С. Кобытев, Т.А. Ковалевская (1982); Л.Е. Попов, В.А. Старенченко, С.Н. Колупаева и др.

(1986); В.В. Красильников, С.Е. Савотченко (2003); В.В. Красильников, В.Ф. Клепиков, С.Е. Савотченко (2005); А.Н. Орлов (1961–1966); Л.Е. Попов (1989); Пантлеон и Климанек (1995); M.H. Yoo (1979); Кларк, Алден (1973); Лутон (1980); Печак, Лутон (1993); А.Н. Тюменцев, В.Ч. Гончиков, А.И. Олемской, А.Д. Коротаев (1989); В.А. Старенченко (1995)) относятся модели пластической деформации, основанные на модели зоны сдвига. Зона сдвига понимается как область незавершенного сдвига, созданная движением дислокаций от дислокационного источника до их остановки у прочных непреодолимых барьеров [5–10]. Процессы образования зон сдвига сопровождаются формированием их дефектной структуры, вследствие суперпозиции механизмов генерации, трансформации и аннигиляции деформационных дефектов.

Pages:     || 2 | 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»