авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Динамика дислокаций в щелочно-галоидных кристаллах при наложении ультразвука

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Дегтярёв Вячеслав Тихонович

ДИНАМИКА ДИСЛОКАЦИЙ В ЩЕЛОЧНО-ГАЛОИДНЫХ КРИСТАЛЛАХ ПРИ НАЛОЖЕНИИ УЛЬТРАЗВУКА

Специальность 01.04.07 –

физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Москва – 2007

Работа выполнена в Калужском филиале государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана»

Научный консультант:

доктор физико-математических наук,

профессор Тяпунина Наталья Александровна

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук,

профессор Блантер Михаил Соломонович

доктор физико-математических наук,

профессор Старостенко Михаил Дмитриевич

доктор технических наук,

профессор Абрамов Олег Владимирович

Ведущая организация:

Санкт-Петербургский государственный университет

Защита состоится «___» _________ 2007г. в ___ час. ___ мин. на заседании диссертационного совета Д 217.035.01 при Федеральном государственном унитарном предприятии «Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П.Бардина»

по адресу: 105005, Россия, Москва, 2-я Бауманская ул., д.9/23

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного унитарного предприятия «Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П.Бардина»

Автореферат разослан «___» ___________ 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,

старший научный сотрудник Александрова Н.М.

ОБЩАЯ ХАРАСТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы работы. Взаимодействие структурных дефектов и полей различной природы относится к фундаментальным проблемам современной физики. Темой данной работы является исследование взаимодействия ультразвукового поля и дефектов кристаллической структуры, установление связи между микропроцессами и макроскопическими свойствами кристаллов в ультразвуковом поле.

Поскольку под действием ультразвука материал может как упрочняться, так и разупрочняться, важно проследить за физическими эффектами, приводящими к таким изменениям. Современное состояние теории не позволяет однозначно предсказать, что именно произойдет в процессе воздействия ультразвука: упрочнение или разупрочнение кристалла. Поэтому выяснение причин и механизмов, вызывающих изменения пластических свойств кристаллов под влиянием высокочастотной вибрации ультразвукового диапазона частот, остается фундаментальной задачей физики конденсированных сред и в тоже время имеет большое прикладное значение.

Наиболее эффективным способом исследования взаимодействия полей и дефектов кристаллической структуры является метод компьютерного моделирования. Действительно, при исследовании дислокационных процессов, происходящих за времена порядка ~10-5c в объеме образца, другие методы практически не приемлемы. Избирательное травление позволяет установить только начальное и конечное состояния системы дислокаций. Просвечивающей электронной микроскопии доступны лишь образцы в виде тонких пленок. Процессы в тонких пленках и массивных кристаллах могут существенно отличаться, поэтому закономерности, установленные для пленок, нельзя использовать для массивных кристаллов. Кроме того, в реальных условиях воздействие бывает комплексным, и выделить влияние отдельных факторов не представляется возможным. Моделирование позволяет выяснить роль отдельных факторов, приводящих к изменению макроскопических свойств материалов, и микромеханизмы, обуславливающие эти изменения. Поэтому разработка моделей, алгоритмов и программ для осуществления моделирования дислокационных процессов также является актуальной задачей для современной физики твердого тела и важна для прикладных задач.



Целью настоящей работы явилось:

  • детальное исследование процессов, происходящих при воздействии высокочастотных колебаний ультразвукового диапазона на дислокационные структуры и пластичность материалов;
  • определение режимов нагружения, позволяющих добиться необходимого изменения пластических свойств образца, будь то упрочнение или разупрочнение.

Объекты исследования: щелочно-галоидные кристаллы со структурой хлорида натрия.

Для достижения этих целей предстояло решить следующие задачи:

  1. Разработать физическую модель и методику моделирования механизмов и процессов, обуславливающих акустопластический эффект, используя строгий динамический подход, основывающийся на решении уравнения движения с учетом поля сил взаимодействия дислокаций и самодействия, а также гибкости скользящих дислокаций и влияния полей, обусловленных внешним нагружением.
  2. Промоделировать процессы движения и размножения дислокаций в условиях сложнонагруженного состояния кристалла, когда на дислокации леса действует знакопеременная нагрузка, а в плоскости скользящей дислокации действуют или постоянная сила, или сумма постоянной и знакопеременной составляющих поля.
  3. На основании анализа полученных результатов моделирования выявить зависимости критического напряжения, необходимого для начала пластической деформации, от плотности лесных дислокаций и от параметров ультразвука, то есть установить связь между дислокационными процессами и акустопластическим эффектом.

Методы исследования, реализованные для достижения цели работы, основаны на развитии существующих и создании новых, адекватных рассматриваемым физическим явлениям и процессам, математических моделей, связанных с исследованием дислокационных процессов в условиях высокочастотной вибрации.

Для анализа напряжения, необходимого для преодоления пробной дислокацией модельной площадки, были разработаны квазистатическая и динамическая модели, с целью исследования особенностей перераспределения дислокаций леса в ультразвуковом поле использована динамическая модель.

Достоверность полученных результатов обеспечена детальным рассмотрением физических явлений и процессов, связанных с воздействием ультразвука на кристаллы с дефектами, что позволило создать оригинальные математические модели, реализующие новые подходы к количественному и качественному описанию дислокационных процессов, в присутствии ультразвукового поля и в значительной степени тем, что результаты моделирования совпадают с результатами натурных экспериментов, выполненных другими авторами.

Научная новизна данной диссертационной работы заключается в том, что впервые предпринята попытка методом компьютерного моделирования исследовать зарождение и движение дислокаций в ультразвуковом поле в условиях, приближенных к реальной ситуации. Впервые предложена математическая модель, описывающая работу источника Франка-Рида, концы которого закреплены лесными дислокациями, совершающими гармонические колебания, и установлены закономерности поведения источника в этой ситуации.

Впервые найдены условия, при которых, при наличии знакопеременной нагрузки, возможно накопление дислокаций в плоскости источника.

Предложена модель, позволяющая описывать прохождение пробной дислокацией модельной площадки, в которой движение дислокации описывается в приближении динамической теории.

Практическая ценность работы состоит в том, что полученные в ней результаты позволяют предвидеть изменение пластических свойств материалов, подвергающихся высокочастотной вибрации в процессе их эксплуатации, что важно для оценки срока службы и предвидения возможности деградации материалов. Кроме того, в современных технологиях обработки материалов все более широкое применение находит ультразвук, причем как в процессе обработки, так и для придания материалам наперед заданных свойств, например, чтобы достичь высокой пластичности материала непосредственно во время технологического воздействия.

Основание для проведения работ.

План совместных НИР кафедры «Молекулярная физика» физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, кафедры «Компьютерные системы и сети» и кафедры «Системы автоматизированного проектирования» Калужского филиала МГТУ имени Н.Э. Баумана.

Научные положения и научные результаты, выносимые на защиту:

  1. Установленные впервые закономерности генерации дислокаций в условиях сложнонагруженного состояния, когда точки закрепления источника дислокациями леса совершают вынужденные колебания.
  2. Обнаруженное влияние соотношения фаз колебаний закрепляющих дислокаций и источника Франка-Рида, в условиях наложения ультразвукового поля, и снижение эффекта упрочнения в случае колеблющегося дислокационного леса по сравнению с неподвижным лесом дислокаций.
  3. Эффект пластифицирования материала при воздействии на лес дислокаций ультразвукового поля и усиление этого эффекта с увеличением плотности дислокаций леса.
  4. Явление самоорганизации системы дислокаций леса в ультразвуковом поле, где самоорганизация включает в себя образование динамических дислокационных структур с диполями, мультиполями и стенками дислокаций в качестве компонентов самоорганизованной структуры, причем конечным результатом самоорганизации может стать формирование блочной структуры.
  5. Обнаружение устойчивости границ блоков, образовавшихся под действием ультразвука, т.е. сохранения этих границ после выключения ультразвукового поля. При этом структура границ ультразвукового происхождения отличается от структуры границ термического происхождения (образовавшихся в процессе отжига).
  6. Разработанные модель, алгоритм и пакет программ для анализа поведения элементов дислокационной структуры в ультразвуковом поле.
  7. Результаты моделирования поведения элементов дислокационной структуры в условиях одновременного воздействия на кристалл постоянной и знакопеременной составляющих внешней нагрузки.

Личный вклад автора в проведенное исследование.

Автором проведен детальный анализ экспериментальных данных, известных из литературы к началу исследования, для щелочно-галоидных кристаллов, на основании которого предложены модели, адекватно описывающие поведение элементов дислокационной структуры в ультразвуковом поле.

Разработаны алгоритмы и пакет программ, позволяющих моделировать взаимодействие элементов дислокационных структур с ультразвуковым полем и эволюцию дислокационной структуры кристалла под воздействием ультразвука.

Автором на кристаллах со структурой NaCl, для которых имеются надежные экспериментальные данные, выполнено компьютерное моделирование поведения элементов дислокационной структуры и ансамблей дислокаций в ультразвуковом поле. Проведен анализ полученных компьютерным моделированием результатов и установлены закономерности эволюции дислокационных ансамблей в ультразвуковом поле.

Апробация. Результаты диссертационной работы докладывались на 6 Всероссийских и Международных научных конференциях и научно-практических семинарах, в т.ч. на X Международной конференции «Imperfection interaction and anelasticity phenomena in solids (IIAPS – 10)» (Тула, 2001); Всероссийской конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика Г.В. Курдюмова «Дефекты структуры и прочность кристаллов» (Черноголовка, 2002); XLII Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Калуга, 2004); XLIV Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Вологда, 2005); третьей Международной конференции «Кристаллофизика 21-го века» (Черноголовка, 2006).

Публикация результатов работы. Материалы исследований, представленных в диссертации, изложены в 30 работах, опубликованных в научных журналах, научно-технических сборниках, материалах, трудах и тезисах докладов Всесоюзных, Российских и Международных конференций, симпозиумов, совещаний и семинаров; ссылки на 30 из них приведены в тексте диссертации.





Все основные результаты диссертационной работы опубликованы в 18 статьях, из них 78% (14 статей) опубликовано в ведущих российских журналах, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени доктора наук.

Структура и объем работы.

В соответствии с поставленными целями исследования, характером и объемом проведенной работы, диссертация содержит введение, 5 глав, заключение, список литературы. Общий объем диссертации составляет 218 страниц машинописного текста, содержащих текст работы, 78 рисунков, 5 таблиц и список использованных источников на 17 страницах, содержащий 142 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, ее практическая значимость, определяются цели исследования, приводятся основные положения, выносимые на защиту, изложена структура диссертации.

Первая глава посвящена обзору литературы и анализу опубликованных до начала исследования экспериментальных данных, характеризующих поведение материалов в ультразвуковом поле в условиях комплексного нагружения.

Глава вторая содержит описание разработанных и использованных в данной работе моделей и алгоритмов моделирования дислокационных процессов. В соответствии с поставленной в работе задачей необходимо было рассмотреть влияние ультразвукового поля на предел текучести. В процессе моделирования были использованы следующие предположения:

1. Первоначальные координаты точек пересечения дислокаций леса с плоскостью скольжения пробной дислокации задавались с помощью стандартных программ псевдослучайных чисел.

2. Предполагалось, что дислокации леса совершают вынужденные периодические колебания, оставаясь прямолинейными и сохраняя первоначальную ориентацию к линии пересечения плоскости своего скольжения с плоскостью скольжения пробной дислокации.

3. При моделировании прохождения пробной дислокации через модельную площадку направление внешней периодической нагрузки, раскачивающей дислокации леса, выбиралось таким образом, чтобы фактор Шмида в системе скольжения пробной дислокации был равен нулю, то есть пробная дислокация оказывалась неподверженной непосредственному воздействию внешней периодической нагрузки.

4. Двигающаяся через лес пробная дислокация считалась гибкой, ее форма в зависимости от модели определялась либо с применением квазистатического подхода, либо в процессе решения дифференциального уравнения.

5. Самодействие пробной дислокации учитывалось в приближении линейного натяжения, когда каждому элементу дислокационной линии приписывалась погонная энергия, равная , где – радиус кривизны линии дислокации.

6. Считалось, что пробная дислокации открепляется от препятствий в том случае, когда угол между соседними сегментами дислокации становится меньше 10о или когда дислокация огибает группу дислокаций леса так, что две ее различные дуги касаются друг друга. Это предположение является прямым следствием континуальной аппроксимации, принятой в современной теории дислокаций, и позволяет при моделировании не принимать во внимание образование порогов.

7. Допускалось, что образование зон рекомбинации при пересечении пробной дислокации с дислокациями леса не происходит.

8. Для исключения края модельной площадки учитывалось также действие дислокаций, находящихся вне основной области. При этом использовались периодические граничные условия, то есть расположение дислокаций на соседних к основной площадках моделирования задавалось таким же, как на основной модельной площади.

9. При моделировании дислокаций леса их движение считалось консервативным.

За величину предела текучести при постоянной нагрузке (режим ползучести) принимают напряжение, необходимое для выхода дислокации из объема образца на поверхность. В режиме активного нагружения суммарный пластический сдвиг значительно превосходит величину сдвига, который может быть обеспечен дислокациями, содержащимися в исходном состоянии образца. В процессе пластической деформации происходит размножение дислокаций. Поэтому за предел текучести в режиме активного нагружения принимают напряжение, необходимое для начала размножения дислокаций.

В соответствии с вышесказанным при моделировании акустопластического эффекта были рассмотрены следующие модели:

  • модель, описывающую влияние ультразвука на процесс прохождения дислокацией модельной площадки;
  • модель, в которой учитывается влияние ультразвука на генерацию дислокаций источником Франка-Рида;
  • модель, описывающую перераспределение дислокаций в ультразвуковом поле.

И в первой, и во второй моделях основным элементом является дислокационный сегмент. Скользящая дислокация разбивается лесными дислокациями, служащими центрами сильного закрепления, на совокупность сегментов, а единичный сегмент может служить источником Франка-Рида.

Схема, иллюстрирующая использованную модель, представлена на рис. 1, где - плоскость легкого скольжения пробной краевой дислокации.

Лесные дислокации располагаются в плоскостях, перпендикулярных , и колеблются под действием ультразвука. Направления смещений лесных дислокаций относительно начального положения изображены на рис. 1 стрелками. Причем в первый полупериод действия ультразвука смещение происходит в направлении сплошной стрелки, во второй полупериод – в направлении стрелки, изображенной пунктиром.

Причиной, вызывающей движение дислокаций, является нагрузка, приложенная к образцу. Рассматривается условие сложнонагруженного состояния образца, такое, что на дислокацию, движущуюся в плоскости легкого скольжения, действует постоянная сила, а на дислокации леса действует сила, изменяющаяся во времени по гармоническому закону.

Для определения закономерностей движения дислокаций используются как квазистатическое, так и динамическое приближение теории дислокаций.

В квазистатическом приближении в каждой точке скользящей дислокации в каждый момент времени долж­но выполняться условие равновесия:

, (1)

где - локальная кривизна скользящей дислокации; - напряжение, обусловленное J -ой дислокацией леса; D - об­ласть суммирования, удовлетворяющая критерию Предводителева А.А. – Стратана И.В.

Моделирование в квазистатическом приближении проводилось по следующему алгоритму.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.