ОГЛАВЛЕНИЕ
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ............................................4
1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О РЕЛАКСАЦИОННЫХ ПРОЦЕССАХ НА МЕЖЗЕРЕННЫХ ГРАНИЦАХ......................................9
1.1. Атомная структура межзсренных границ...........................9
1.2. Модели образования микронесплошностей в кристалле.............17
1.3. Механизмы образования неплоских границ........................23
1.4. Модели зернограничного проскальзывания и внутреннего
трения...................................................27
1.5. Выводы к главе 1..............................................33
2. ВЛИЯНИЕ МИКРОНЕСПЛОШНОСТЕЙ НА ПРОСКАЛЬЗЫВАНИЕ
ПО СТУПЕНЧАТОЙ МЕЖКРИСТАЛЛИТНОЙ ГРАНИЦЕ...............................34
' >к " 'У*1' -V ”. м; >а .г
2.1. Проскальзывание по границе зерен со ступенчатой
геометрической структурой..........................................34
2.2. Межзеренное проскальзывание вдоль ступенчатой границы...;.’.1.35
2.3. Модель проскальзывания вдоль несоразмерной границы, содержащей микронесплошности...........................39
2.4. Эффективная вязкость ступенчатых границ.......................51
2.5. Выводы к главе 2..............................................54
3. ЗЕРНОГРАНИЧНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ТРЕНИЕ НА СТУПЕНЧАТЫХ ГРАНИЦАХ С МИКРОНЕСПЛОШНОСТЯМИ........................................56
3.1. Влияние отклонения мезоскопического строения пористой границы от плоской конфигурации на механизм зернограничного внутреннего трения.....................56
3.2. Модель внутреннего трения, обусловленного проскальзыванием вдоль несоразмерной границы, содержащей ступеньки противоположного знака и
микронссплошности.............................................58
3.3. Асимптотическое поведение температурно - частотных
зависимостей внутреннего трения..............................62
3.4. Выводы к главе 3........................................65
4. ФАСЕТИРОВАНИЕ МЕЖЗЕРЕННЫХ ГРАНИЦ.............................66
4.1 Фазовый переход фасетирования на границе зерен...........66
4.2. Образования зародышей фасетирования границы
произвольной ориентации......................................67
4.3. Модель образования зародышей фасетирования
межзеренной границы наклона..................................71
4.3. Время полного фасетирования границы.....................76
4.4. Равновесная концентрация фасеток на межзеренной границе.78
4.4. Выводы к главе 4....................................... 82
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ....................................83
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК........................................84
4
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
А|Стуальность проблемы.
Представления о межзеренных границах как плоских поверхностях раздела со статистически однородной атомной структурой, принимавшиеся на ранних стадиях изучения этого вида дефектов, являются в определенной степени упрощенными и идеализированными. Реальные границы содержат различного рода несовершенства, либо влекущие неоднородность их атомной структуры и оставляющие их плоскими в атомном масштабе, либо отклоняющие их от плоской конфигурации и придающие им извилистую, фасетированную или ступенчатую форму. Реалистические модели зернограничных процессов, таких как зернограничное проскальзывание, миграция, трещинообразование, должны строиться с учетом истинного строения границ и принимать во внимание наличие дефектов -зернограничных дислокации, уступов, ступенек, различно ориентированных фасеток, линий их стыков и т. д. В некоторых случаях описание
д
1 ** *\;у, зернограничных свойств затруднительно или даже вообще невозможно без ^ привлечения приведенных понятий.
Проскальзывание по границам зерен дает значительный вклад в пластическую деформацию поликристаллического агрегата. В особенности роль этого процесса возрастает в явлении сверхпластичности, где оно считается основным механизмом. Диссипация энергии механических колебаний в поликристаллах также в значительной степени имеет зернограничный характер и в основном обусловлена проскальзыванием. Эти вопросы ранее изучались в основном для границ зерен плоской геометрии. В связи с реальным строением границ, не являющихся, как правило, плоскими, исследование их релаксационных свойств является весьма актуальным.
Структура и свойства указанного вида границ существенно зависят от тех процессов, которые приводят к их образованию. Такие процессы можно разделить на два вида - при стремлении системы к равновесному состоянию
и процессы, протекающие в существенно неравновесных условиях. К первому виду относится фазовый переход фасетирования границ зерен. Детали этого процесса долгое время оставались неизвестными. Поэтому модели его кинетики также заслуживают особого внимания материаловедов. В предлагаемой работе рассматриваются приведенные выше релаксационные процессы, проскальзывания по границам зерен, имеющим протяженные дефекты, их внутреннее трение, а также кинетика образования зародышей фасетирования границы.
Работа выполнена в рамках госбюджетных ПИР филиала Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» в г. Волжском: МиМ-1 -Б-08 «Математическое моделирование структурных релаксационных процессов на межзеренных границах в поликристаллических материалах»; ОФ -1 -Б -И
„ ■' ч .... , ■, 4Ы’ ч'.'ы/
«Релаксационные свойства границ раздела в ультрамелкозернистых материалах».
Цельи задачи работы. * • ,' * . • ’ 1 ё'"*' ^
Целью работы является развитие теоретических представлений о влиянии мезоскопических дефектов, отклоняющих межзеренные границы от плоской конфигурации, на релаксационные свойства границ. Для достижения указанной цели были сформулированы и решены следующие задачи.
1. Разработать модель межзеренного проскальзывания вдоль границ зерен общего типа, содержащих протяженные микронесплошности и ступеньки, под действием внешнего сдвигового напряжения.
2. Исследовать процессы диссипации энергии на границах зерен, содержащих ступеньки и микронесплошности, а также найти величину внутреннего трения на таких границах. Установить се зависимость от геометрических параметров границы, температуры и частоты колебаний.
6
3. Определить основные механизмы образования зародышей фазового перехода фасегирования межзеренных границ с одно- и двумерной фасетированной структурой.
Научная новизна.
Установлено, что граница, содержащая ступеньки и микронесплошности под воздействием приложенного вдоль нее внешнего сдвигового напряжения является источником или стоком вакансий в объеме зерна. Мощность источников и стоков определяется параметрами структуры границы.
Разработана модель внутреннего трения на ступенчатых границах зерен с протяженными микронесплошностями. Установлено, что зависимость фона внутреннего трения от частоты и температуры имеет два сменяющих друг друга участка с различными параметрами.
Создана модель образования и роста зародышей фасетированной структуры на плоских границах. м
Практическая значимость работы.
Полученные в работе результаты изучения релаксационных свойств межзеренных границ имеют важное научное и практическое значение и служат дальнейшему развитию представлений о строении и свойствах границ.
Достигнутый уровень понимания механизмов релаксационных процессов, происходящих на межкристаллитных границах, является основой прогнозирования поведения материалов с возможностью управления их свойствами.
Положения, выносимые на защиту.
1. Скорость межзеренного проскальзывания по границам, содержащим только ступеньки или ступеньки и микронесплошности, является линейной функцией напряжений. Во втором случае граница зерна является стоком или источником вакансий в объем зерна, плотность такого потока зависит от
7
структуры границы и величины приложенных сдвиговых напряжений. В процессе проскальзывания изменяется объем микронесплошности.
2. На границах зерен, содержащих ступеньки и протяженные микронесплошности, зависимость логарифма произведения температуры на величину внутреннего трения в функции обратной температуры состоит из двух прямолинейных участков. В области низких и высоких частот величина
внутреннего трения пропорциональна аГх и со^ соответственно. При этом эффективная энергия активации изменяется в два раза, имея большее значение при высоких температурах.
3. Скорость образования зародышей фазового перехода фасетирования межзеренной границы, способных к дальнейшему росту, определяется энергетическими и геометрическими параметрами границы, а также температурой. Кинетика процесса и форма критических зародышей различны для границ с одно- и двумерной фасетированной структурой. ,, д 1к.. ь
■ • ; ,* и « «»г«1 ' I п
Апробация работы.
Результаты работы докладывались и обсуждались на 14 международных всероссийских научных конференциях:'* XI :
Международной конференции «Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах» (Тула, 2007); Второй международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (Москва, 2007); XXVIII Российской школы «Науки и технологии» (Миасс, 2008); 47 Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Нижний Новгород, 2008); Открытой школе-конференции стран СНГ «Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы - 2008» (Уфа, 2008); V Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные технологии в обучении и производстве» (Камышин, 2008); Межрегиональной научно-практической конференции «Моделирование и создание объектов энергоресурсосберегающих технологий» (Волжский, 2009); Шестнадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Волгоград, 2010); V Международной конференции с элементами научной
8
школы для молодежи «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (Тамбов, 2010); VII Международной научной школе-конференции «Фундаментальное и прикладное материаловедение» (Барнаул, 2011); Вторых Московских чтениях по проблемам прочности, посвященных 80-летию со дня рождения академика РАН Ю.А. Осипьяна (Москва, 2011); IV Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и ианоматсриалов» (Москва, 2011); VIII Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов» (Москва, 2011); XXI Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», посвященной 80-летию Магнитогорского металлургического комбината (Магнитогорск, 2012), а также на 5 межвузовских конференциях.
Публикации и личный вклад автора.
По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, в том;числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Определение направления исследований, обсуждение \ полученных / результатов и подготовка публикаций осуществлялись совместно с научным руководителем доктором физико-математических наук, доцентом Кульковым В.Г.
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в библиографическом списке, соискателю принадлежат: [148-151, 153-155, 163-165, 168-170, 172, 174, 175] - получение основных результатов и проведение оценки численных значений полученных величин. Работа [171] выполнена диссертантом самостоятельно.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы из 175 наименований. Работа изложена на 102 страницах, содержит 21 рисунок.
- Київ+380960830922