2
СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ...........................................................5
ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ КРИСТАЛЛОВ, ПОДВЕРЖЕННЫХ УЛЬТРАЗВУКОВОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ (ОБЗОР)............................................5
1.1. Механизмы пластической деформации кристаллов..............11
1.2. Влияние дефектной структуры на свойства реального кристалла 14
1.3. Влияние ультразвука на дислокационную пластичность твердого тела..........................................................15
1.3.1. Акустопластический эффект. Развитие представлений об акустопластическом эффекте.............................15
1.3.2. Влияние ультразвукового воздействия на изменение температуры образца....................................20
1.4. Современные методы изучения дефектной структуры реальных кристаллов....................................................22
1.4.1. Математическое и компьютерное моделирование в физике конденсированного состояния..................................22
1.4.2. Экспериментальные методы исследования дислокационной структуры кристалла..........................................24
1.4.3. Математическое моделирование динамики дислокаций в реальных кристаллах, подвергающихся комплексному нагружению...................................................25
1.4.4. Математическое моделирование работы источника Франка-Рида.........................................................26
3
Стр.
1.4.5. Математическое и компьютерное моделирование акустопластического эффекта............................32
1.4.6. Математическое моделирование поведения дислокационной петли в ультразвуковом поле............................34
1.4.7. Математическое моделирование поведения дислокационных сегментов в ультразвуковом поле........................36
Выводы........................................................41
ГЛАВА 2. ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ АНАЛИЗА РАБОТЫ ИСТОЧНИКА ФРАНКА-РИДА В УСЛОВИЯХ СЛОЖНОНАГРУЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ.......................43
2.1. Модель эволюционирующего источника дислокаций под действием ультразвука........................................45
2.2. Моделирование движения дислокационного сегмента на ЭВМ 51
2.3. MS Visual Studio 2010, как средство реализации моделей...53
2.4. Анализ алгоритмов моделирования..........................55
2.5. Моделирование источника Франка-Рида в условиях сложнонагруженного состояния.................................56
2.5.1. Сравнение алгоритмов моделирования...................60
Выводы........................................................63
ГЛАВА 3. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ИСТОЧНИКА ФРАНКА-РИДА В УСЛОВИЯХ СЛОЖНОНАГРУЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ............................64
3.1. Результаты моделирования работы источника Франка-Рида в п.1.... 67
3.2. Результаты моделирования работы источника Франка-Рида согласно п.2.................................................71
4
Стр.
3.2.1. Результаты моделирования работы источника Франка-Рида согласно п.2 при условии, что дислокационный сегмент закреплен
на разноименных дислокациях леса..............................72
3.2.2. Результаты моделирования работы источника Франка-Рида при условии, что дислокационный сегмент закреплен на разноименных дислокациях леса, которые под воздействием ультразвука совершают синфазные вынужденные колебания.........75
3.3. Результаты моделирования работы источника Франка-Рида в условиях комплексного нагружения...............................76
3.4. Визуальное представление работы источника Франка-Рида под воздействием ультразвука.......................................81
Выводы..........................................................84
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ, ФОРМИРУЕМЫХ ЗАРЯЖЕННОЙ ДИСЛОКАЦИОННОЙ ПЕТЛЕЙ В ИОННЫХ КРИСТАЛЛАХ.............................................86
4.1. Физика возникновения электрического заряда дислокаций......87
4.2. Модель, алгоритм и методика моделирования электростатических полей заряженной дислокационной петли.......91
4.3. Визуализация результатов...................................93
4.4. Анализ числовых результатов................................97
Выводы.........................................................101
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ......................................102
ЛИТЕРАТУРА........................................................103
5
ВВЕДЕНИЕ
Первые ультразвуковые исследования были выполнены ещё в позапрошлом веке, но основы широкого практического применения ультразвука были заложены позже, в первой трети XX в. Как область науки и техники, ультразвук получил особенно бурное развитие в последние три-четыре десятилетия. Характерной особенностью современного состояния физики и техники ультразвука является чрезвычайное многообразие его применений, охватывающих частотный диапазон от слышимого звука до предельно достижимых высоких частот и область мощностей от долей милливатта до десятков киловатт. Ультразвук нашел широкое применение в микроэлектронике, приборо-и машиностроении, биологии, медицине и т.д.
В области контрольно-измерительных применений ультразвука в самостоятельный, установившийся раздел выделилась ультразвуковая дефектоскопия. В настоящее время сформировалась акустоэлектроника как самостоятельная область физики, связанная с обработкой электрических сигналов, использующая преобразование их в ультразвуковые. Это нашло применение в таких устройствах, как линии задержки и фильтры. Достижения в области изучения поверхностных волн, генерации и приёма гиперзвуковых волн, установление связи упругих волн с элементарными возбуждениями в твёрдом теле привели к существенному расширению возможностей этих устройств и к созданию новых приборов акустоэлектроники, обеспечивающих более сложную обработку сигналов.
Рассматривая многообразие практических применений ультразвуковых колебаний и волн, нельзя не сказать об ультразвуковой медицинской диагностике, которая даёт в ряде случаев более детальную информацию и является более безопасной, чем другие методы.
Актуальность работы. Одной из фундаментальных проблем современной физики конденсированного состояния является исследование взаимодей-
6
ствия внешних полей и структурных дефектов кристаллов. Физические свойства реальных кристаллов определяются не только плотностью их структурных дефектов, но и взаимодействием структурных дефектов друг с другом. Присутствие внешних полей вызывает перераспределение дефектной структуры, что приводит к изменению физических свойств материала. Установлено, что в щелочно-галоидных кристаллах в присутствии слабого магнитного поля наблюдается явление магнигопластичности - увеличение подвижности дислокаций. Влияние на пластические свойства кристаллов оказывает и ультразвук. В современных технологиях ультразвуковая обработка материалов широко используется для придания образцу наперед заданных свойств. Кроме того, в процессе эксплуатации различные твердотельные детали могут подвергаться длительной высокочастотной вибрации, что в свою очередь может приводить к их деградации и последующему разрушению. Именно поэтому исследование механизмов, вызывающих изменение физических свойств реальных кристаллов при ультразвуковом воздействии, является не только фундаментальной задачей физики конденсированного состояния, но и обуславливается большим прикладным значением.
Для исследования поведения структурных дефектов в кристаллах при воздействии внешних полей в настоящее время применяются экспериментальные и теоретические методы. Экспериментальные методы позволяют установить первоначальные и конечные дефектные структуры, но не позволяют исследовать особенности динамики дислокаций при воздействии ультразвука. Поэтому для исследования взаимодействия внешних полей и дефектов кристаллической структуры применяется метод компьютерного моделирования, адекватность и результативность которого проверена на хорошо изученных системах. Метод компьютерного моделирования позволяет установить взаимосвязь внешних факторов и пластических свойств материала.
7
В настоящее время с каждым годом увеличивается число публикаций, посвященных влиянию ультразвука на формирование и эволюцию дефектной структуры твердых тел. Однако имеющаяся научно-техническая литература не дает полного представления о механизмах, протекающих на микроуровне в твердых телах, подвергающихся воздействию ультразвука. Современные теории не позволяют однозначно предсказать поведение образца на макроскопическом уровне. Поэтому задача разработки моделей, алгоритмов и программ для осуществления моделирования дислокационных процессов является актуальной.
Целью настоящей работы является исследование физических процессов, происходящих на микроуровне при эволюции источника Франка-Рида, в кристаллах с заряженными дислокациями методом математического моделирования в условиях сложнонагруженного состояния: одновременного воздействии ультразвуковой и постоянной нагрузок.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Провести анализ современных методов исследования дефектной структуры материалов, в частности посвященных решению задачи эволюции источника Франка-Рида. Обосновать выбор метода исследования для достижения поставленной цели.
2. На основе физической модели разработать методику моделирования физических механизмов и процессов, обуславливающих работу источника Франка-Рида в условиях сложнонагруженного состояния.
3. Выполнить моделирование процесса эволюции источника Франка-Рида при наличии ультразвукового поля.
4. На основании анализа результатов моделирования выявить особенности срабатывания источника Франка-Рида в условиях сложнонагруженного состояния, когда на дислокации леса и скользящую
8
дислокацию могут действовать как постоянная, так и знакопеременная нагрузки.
5. Изучить характеристики электрического поля заряженного дислокационного сегмента; установить роль заряда скользящей дислокации при работе источника Франка-Рида и разрушение ионного кристалла в условиях сложнонагруженного состояния.
Научная новизна полученных результатов состоит в том, что:
1. Впервые для исследования процесса эволюции источника Франка-Рида в условиях сложнонагруженного состояния используется метод компьютерного моделирования с высокой степенью параллелизма вычислений на ЭВМ.
2. Установлено, что число сработавших источников Франка-Рида зависит от первоначальной длины сегмента, амплитуды ультразвука и величин постоянной нагрузки, действующих на дислокационный сегмент, а так же состояния фаз колебаний дислокаций леса.
3. Предложена и реализована в виде программы феноменологическая модель, описывающая электрические поля заряженной дислокации. Методом компьютерного моделирования были получены значения напряженности и потенциала вдоль радиальных срезов источника Франка-Рида. Установлено, что для среза силового поля дислокационного сегмента, сделанного через точки закрепления в плоскости дислокации, наблюдается инверсия знака.
4. Оценены характеристики электростатического поля, генерируемого закрепленным дислокационным сегментом в условиях сложнонагруженного состояния. Установлено, что при определенных условиях величина напряженности поля может достигать значений, сравнимых с пробойным для атмосферного воздуха. Основываясь на анализе силовых линий электрического поля дислокационного сегмента, визуально показано направление возможного электрического пробоя.
9
Научная ценность и практическая значимость работы. Полученные в работе данные могут быть использованы при разработке теории прочности и пластичности материалов. Рассмотренная модель работы источника Франка-Рида в условиях сложного нагружения позволяет прогнозировать процесс пластической деформации и разрушения материалов, оценить срок их службы, возможности деградации в зависимости от режимов нагружения. Также результаты работы могут быть использованы при разработке современных технологий обработки материалов: как для достижения высокой пластичности материала, так и для придания материалам заранее заданных свойств.
Результаты работы могут быть использованы в организациях и лабораториях, занимающихся разработкой теорий прочности и пластичности материалов: в Воронежском государственном университете, Белгородском государственном университете, Институте кристаллографии им. A.B. Шубникова РАН, Сибирском государственном индустриальном университете, Институте физики прочности и материаловедения СО РАИ, КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана, Тамбовском государственном университете им. Г.Р. Державина, МГУ им. М.В. Ломоносова, ЦНИИчермет им. A.A. Бардина.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Разработанные модель, алгоритм и пакет программ, позволяющие детально исследовать процесс работы источника Франка-Рида при условии одновременного воздействия постоянной и знакопеременной нагрузок.
2. Закономерности изменения критического напряжения срабатывания источника Франка-Рида в зависимости от параметров ультразвука, свойств пластичности исходного материала и внешней постоянной нагрузки.
3. Разработанные модель, алгоритм и методика моделирования электрических полей заряженного дислокационного сегмента.
- Київ+380960830922