Моделирование взаимодействия дислокаций с краевыми дислокационными петлями тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Мин Мин Аунг

• Мин Мин Аунг
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Мин Мин Аунг

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР СОСТОЯНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СКОЛЬЗЯЩИХ ДИСЛОКАЦИЙ

С ДИСЛОКАЦИОННЫМИ ПЕТЛЯМИ.

1.1. Взаимодействие скользящих дислокаций с изолированными дислокационными петлями.

1.1.1. Контактное взаимодействие скользящих дислокаций с дислокационными петлями.

1.1.2. Упругое взаимодействие скользящей дислокации с дислокационными петлями.

1.2. Оценки упрочнения, вызванного взаимодействием скользящих дислокаций с ансамблем призматических дислокационных петель.

2. ОПИСАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАННЫХ МОДЕЛЕЙ.

2.1. Общие положения.

2.2. Поля внутренних напряжений, создаваемые дислокационными петлями.

2.3. Методика построения равновесных взаимодействующих дислокационной петли и скользящей дислокации.

2.3.1. Поля напряжений дислокационного сегмента.

2.3.2. Локальные и глобальная системы координат.

2.3.3. Модификация метода радиуса динамической кривизны.

2.3.4. Алгоритм построения равновесных конфигураций гибких скользящих дислокаций в поле напряжения краевой дислокационной петли.

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГИБКИХ СКОЛЬЗЯЩИХ ДИСЛОКАЦИЙ С КРАЕВЫМИ

ДИСЛОКАЦИОННЫМИ ПЕТЛЯМИ

3.1. Равновесные конфигурации гибких скользящих дислокации в поле краевых дислокационных петель при безконтактном взаимодействии.

3.1.1. Равновесные конфигурации скользящих дислокаций при отрицательных значениях параметра v.

3.1.2. Равновесные конфигурации скользящих дислокаций при положительных значениях параметра v.

3.2. Равновесные конфигурации гибких скользящих дислокации в поле краевых дислокационных петель при контактном взаимодействии.

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГИБКИХ СКОЛЬЗЯЩИХ ДИСЛОКАЦИЙ С ХАОТИЧЕСКИМИ АНСАМБЛЯМИ КРАЕВЫХ ДИСЛОКАЦИОННЫХ ПЕТЕЛЬ.

4.1. Методические особенности и параметры моделирования.

4.2. Моделирование взаимодействия скользящих дислокаций с хаотическим ансамблем дислокационных петель одинакового диаметра.

4.3. Моделирование взаимодействия скользящих дислокаций с хаотическим ансамблем дислокационных петель различного диаметра.

4.4. Анализ влияния уровня напряжения Пайерлса на характеристики эффекта влечения дислокационных петель гибкой скользящей-дислокацией в совместное движение.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование взаимодействия дислокаций с краевыми дислокационными петлями»

Пластическое течение кристаллических материалов во всех своих формах, обусловлено движением дислокаций. В этой связи сопротивление движению^ дислокаций со стороны различных дефектов кристаллической решетки является фактором, в существенной степени определяющим процесс пластической деформации и деформационное упрочнение. К числу типичных дефектов кристаллической решетки следует отнести класс точечных дефектов и класс линейных дефектов. Данные дефекты с неизбежностью присутствуют в реальных кристаллах, а их преднамеренное введение в кристаллические структуры дает возможность в значительной степени целенаправленно изменять и контролировать физические свойства прочности и пластичности материалов. В связи с задачами современного радиационного материаловедения высокий приоритет приобретают дислокационные петли, которые формируются в большом количестве при облучении- твердых тел. В этих условиях взаимодействие скользящих дислокаций с дислокационными петлями может стать определяющим фактором в процессах радиационного упрочнения. Вместе с тем исследования взаимодействия скользящих дислокаций с дислокационными петлями, ввиду исключительной сложности вопроса в большинстве случаев носят качественный характер, а известные теоретические оценки базируются на существенных упрощающих предположениях, которые снижают ценность полученных результатов^ и в I ряде случаев приводят к некорректным выводам.

В связи с этим в настоящей работе ставилась задача исследования, средствами моделирования на ЭВМ, различных физических аспектов взаимодействия скользящих дислокаций с дислокационными петлями в условиях максимально близких к реальной ситуации в кристаллах.

Целями диссертационной работы являлись: построение физических моделей и методик моделирования процессов взаимодействия скользящих дислокаций с краевыми дислокационными петлями; исследование' средствами моделирования физических процессов' взаимодействия скользящих дислокаций с краевыми дислокационными петлями применительно к ГПУ кристаллам:

Научная новизна работы состоит в следующем: разработана физическая модель и методика моделирования взаимодействия гибких скользящих дислокаций с краевыми дислокационными петлями при точном воспроизведении пространственно-геометрических особенностей и с учетом тонкой структуры полей внутренних напряжений, создаваемых петлями; при строгом учете тонкой пространственной структуры полей внутренних напряжений, создаваемых краевыми дислокационными, петлями, проведено детальное рассмотрение физического процесса взаимодействия гибких скользящих дислокаций с единичными дислокационными петлями; получены основные характеристики физических процессов взаимодействия скользящих дислокаций с краевыми дислокационными петлями и проведен анализ их зависимости от пространственно-геометрических и физических параметров системы; установлено, что в процессе своего движения под действием внешнего напряжения сдвига, гибкие скользящие дислокации оказываются способными вовлекать в совместное движение краевые дислокационные петли; проведено моделирование движения гибких скользящих дислокаций через хаотические ансамбли краевых дислокационных петель с учетом возможного вовлечения дислокационных петель в совместное движение;

- установлен эффект выметания, заключающейся в том, что в процессе движения гибкой, скользящей дислокации через, хаотический ансамбль, краевых дислокационных петель, оказывается возможным вовлечение скользящей дислокацией; дислокационных петель в совместное движение;

- всесторонне исследованы основные характеристики, эффекта выметания и их зависимости от уровня внешнего напряжения сдвига, напряжения Пайерлса и характера распределения дислокационных петель в ансамбле.

Теоретическаяи практическая ценность работы состоят в том, что в работе предложен новый подход к решению задачи взаимодействия гибких скользящих дислокаций с краевыми дислокационными петлями. Развитые в работе методы моделирования позволяют точно учитывать пространственно-геометрические характеристики системы, тонкую структуру полей внутренних напряжений, адекватно воспроизводить гибкие свойства дислокаций и способность дислокационных петель перемещаться. Практическая ценность работы заключается также в том, что полученные в ней результаты и развитые методы могут быть использованы для количественного анализа широкого круга вопросов физики радиационного упрочнения и стимулируют постановку и проведение новых вычислительных и экспериментальных исследований.

Достоверность результатов работы обусловлена корректной постановкой задачи, применением математически обоснованных методов, ее решения, сравнением результатов с известными аналитическими данными.

На защиту выносятся следующие положения:

- методика моделирования физических процессов взаимодействия гибких скользящих дислокаций с краевыми дислокационными петлями;

- результаты исследования физических процессов взаимодействия гибких скользящих дислокаций? с краевыми дислокационными петлями; результаты моделирования движения скользящих дислокаций через; хаотический ансамбль краевых дислокационных петель.

Апробация; результатов. Результаты диссертационной работы^ докладывались на конференциях:

1. Региональных научно-технических конференциях «Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе» (МГТУ им.Н.Э.Баумана, Москва, 2007, 2008, 2010);

2. Всероссийских научно-технических конференциях «Наукоемкие технологии, в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе» (МГТУ им.Н.Э.Баумана, Москва 2007, 2008, 2009, 2010);

3. Всероссийской школе-семинаре студентов^ аспирантов и молодых ученых , по направлению «Наноинженерия» (МГТУ им.Н.Э.Баумана, Москва

2009).

Публикации; Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в 10 изданиях, в том числе в 1 журнале из Перечня ВАК РФ:

Личный вклад-автора: разработаны математическая модель, методика моделирования и программное обеспечение для исследований процессов взаимодействия гибких скользящих дислокаций с хаотическими ансамблями незакрепленных дислокационных, петель, созданных с участием автора; исследован процесс парного взаимодействия скользящих дислокаций с незакрепленными дислокационными петлями с учетом пространственно-ориентационных параметров системы; в результате моделирования установлен эффект выметания дислокационных петель скользящей дислокацией в процессе ее движения; проанализированы основные параметры исследуемых процессов и их зависимость от пространственного распределения дислокационных петель по диаметру, напряжения Пайерлса и внешней сдвиговой нагрузки; выполнен анализ всех результатов моделирования, сформулированы положения, выносимые на защиту.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 147 страницах текста, содержит 30 рисунков, 1 таблицу и 111 наименований цитируемой литературы.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Мин Мин Аунг

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель, методика моделирования и программное обеспечение для исследований физических процессов взаимодействия гибких скользящих дислокаций с хаотическими ансамблями незакрепленных дислокационных петель при, строгом учете тонкой структуры полей внутренних напряжений и пространственно-геометрических характеристик.

2. Проведен детальный анализ влияния параметров моделирования на статистические характеристики полей внутренних напряжений для системы взаимодействующих дислокаций. На основе сравнения результатов моделирования с известными аналитическими данными определены оптимальные параметры моделирования.

3. На основе разработанных моделей и методик моделирования, детально исследован физический процесс парного взаимодействия скользящих дислокаций с незакрепленными дислокационными петлями и всесторонне изучены статистические характеристики рассматриваемого процесса и их зависимости от пространственно-ориентационных параметров системы.

4. Установлен эффект вовлечения дислокационных петель в совместное со скользящей дислокацией движение и получены зависимости данного эффекта от параметрических характеристик системы и уровня внешнего напряжения.

5. Впервые, при строгом учете тонкой структуры полей внутренних напряжений, проведено моделирование физического процесса взаимодействия хаотического ансамбля незакрепленных дислокационных петель со скользящей дислокацией и установлен эффект выметания дислокационных петель скользящей дислокацией в процессе ее движения.

6. Получены и проанализированы основные характеристики, связанные с выметанием дислокационных петель и их зависимость от характера распределения дислокационных петель по диаметру, уровня относительной величины напряжения Пайерлса и уровня внешней сдвиговой нагрузки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Мин Мин Аунг, 2011 год

1. Прайс П.Б. Непосредственное наблюдение скольжения, переползания и двойникования в гексагональных металлических кристаллах // Электронная микроскопия и прочность кристаллов., М.: Металлургия, 1978. С. 42-122.

2. Предводителев A.A., Троицкий O.A. Дислокации и точечные дефекты в гексагональных металлах. М.: Атомиздат, 1973. 201 с.

3. Бушуева Г.В., Хомякова Р.Д., Предводителев A.A. Поле напряжений круговой дислокационной петли с произвольным вектором Бюргерса // Вестник МГУ (физика, астрономия). 1974. № 3. С. 329-334.

4. Фролова Р.Д., Бушуева Г.В., Предводителев A.A. Поля напряжений некоторых плоских дислокационных конфигураций, в изотропной пластине // Материаловедение (физика и химия конденсированных сред). Воронеж: ВГУ, 1977. С. 3-11.

5. Поля напряжений дислокационных конфигураций в изотропной пластине / Г.В.Бушуева и др. // Прикладная математика и механика. 1980. Т.ЗЗ, №4. С. 761-767.

6. Фролова Р.Д., Предводителев A.A., Бушуева Г.В. Особенности взаимодействия гибких дислокаций с призматическими дислокационными петлями в тонких пленках // Взаимодействие дефектов кристаллической решетки и свойства металлов. Тула: ТПИ, 1980. С. 22-26.

7. Фролова Р.Д., Бушуева Г.В., Предводителев A.A. Взаимодействие гибких скользящих дислокаций с призматическими дислокационными петлями // Кристаллография. 1982. Т.27, №2. С. 325-332.

8. Фролова Р.Д., Предводителев A.A., Бушуева Г.В. Моделирование процесса прохождения гибкой скользящей дислокации через ансамбль призматических дислокационных петель // Моделирование на ЭВМдефектов в кристаллах. Л.: ФТИ АН СССР, 1981. С. 146-147.

9. Предводителев А.А., Фролова Р.Д., Бушуева Г.В. Моделирование прохождения гибких скользящих дислокаций через ансамбль пространственно распределенных призматических петель //Кристаллография. 1984. Т.29, №5. С. 970-975.

10. Логинов Б.М. Моделирование на ЭВМ процессов упрочнения и разупрочнения; обусловленных дислокационными. ансамблями // Моделирование на ЭВМ дефектов в кристаллах Л.: ФТИ АН СССР, 1988. С. 6-33.

11. Дегтярев В.Т. Моделирование процессов прохождения скользящих дислокаций через хаотические ансамбли колеблющихся дислокаций: Дис. канд. физ.-мат. наук. Калуга. 1990. 165с.

12. Loginov В.М., Degtyarev V.T., Shvedov R.N. Computer simulation of the glide dislocation movement through chaotic ensembles of prismatic loops under combined loading conditions // Modelling, Measurement & Control, B. 1994. V.56, №3. P. 9-20.

13. Глебов С.А., Логинов Б.М. Исследование процессов взаимодействия скользящих дислокаций с хаотическими ансамблями колеблющихся дислокационных петель // Деп. рук. ВИНИТИ. 1998. № 929-В98. 55 с.

14. Логинов Б.М., Белов Ю.С. Моделирование процессов парного взаимодействия краевых дислокационных петель // Труды МГТУ. 2008. Т.596. С. 84-88.

15. Белов Ю.С., Кореньков Д.П. Особенности моделирования парного взаимодействия краевых дислокационных петель / Под ред. проф. К.Е. Демихова // Актуальные проблемы фундаментальных наук М.: НТА, 2009. Т.6, ч.2. С.207-208.

16. Логинов Б.М., Белов Ю.С. Моделирование сил реакции свободной поверхности для* краевых дислокационных петель на основеоперационно-вычислительной модели // Труды МГТУ. 2008. Т.596. С. 89-98.

17. Белов Ю.С. Моделирование процессов образования приповерхностных пор // Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе: Материалы Всероссийской научно-технической конференции. М., 2009. Т.2. С. 124-126.

18. Белов Ю.С. Моделирование процессов взаимодействия краевых дислокационных петель со свободной поверхностью: Дис. канд. физ.-мат. наук. Калуга. 2009. 136 с.

19. Коттрелл А.Х. Дислокация и пластическое течение в кристаллах. М.: Металлургиздат, 1965. 267 с.

20. Price Р.В. Pyramidal glide and the formation and climb of dislocation loops in nearly perfect zinc crystals // Phik. Mag. 1980. V.5, №57, P. 873-886.

21. Berghezan A., Fourdeux A., Amelinckx S.A. Transmission electron microscopy studies of dislocations and stacking faults in a hexagonal metal: zinc // Acta Met. 1987. №9. P. 464-490.

22. Saada G., Washburn J. Interaction between prismatic and glissile dislocations. Proc. Intern. Conf. on Crystal Lattice Defects // J. Physical Soc. Japan. 1993. V.18, Suppl.l.P. 43-49.

23. Strudel J.E., Washburn J. Direct observations of interactions between imperfect loops and moving dislocations in aluminium // Phil. Mag. 1994. V.9, №99. P. 491-506.

24. Greenfield I.G., Wilesdorf H.G.F. Effect on neutron irradiation on the plastic deformation of copper single crystals // J. Appl. Phys. 1961. V.32, №5. P. 827-839.

25. Esemann U., Seeger A. Verfestigungeverhalten, neutronenbesstrahlter metalle.II. Temperaturwechselversuche and gleitlinienbeobaobachtungen an Kupfereinkristallen // Phys. Stat. Sol. 1964. V.4, №1. P. 177-197.

26. Brimhall J.L. The effect of neutron irradiation on slip lines in molybdenium // Trans. Metallurg. Soc. AIME. 1965.V.233, №9. P. 1737-1742.

27. Mshii M. The structure and mechanical, properties of quenched face-centered cubic metals // Lattice defects in quenched metals. N.Y.,Lond.: Academic Press, 1965. P. 387-441.

28. Sharp J.V. Deformation of neutron-irradiated copper single crystals // Phil. Mag. 1967. V.16, №139. P. 77-96.

29. Foreman A.J.E., Sharp J.V. A mechanism for the sweeping-up of loops by glide dislocations during deformation // Phil. Mag. 1969. V.19, №161. P. 931-937.

30. Рожанский B.H., Предводителев А.А. О роли диффузии точечных дефектов вдоль дислокаций в процессе пластической деформации // ДАН СССР. 1974. Т. 158, №4. С. 835-838.

31. Рожанский В.Н., Кириченко В.В., Предводителев А.А. Стабилизация закалочных тетраэдров дефектов упаковки в меди примесью алюминия // ФТТ. 1967. Т.9, №1. С. 175-178.

32. Foreman A.J.E., Makin М J. Dislocation movement through random arrays of obstacles // Can. J. Phys. 1967. V.42, №2. P. 511-517.

33. Kroupa F. The interaction between prismatic dislocation loops and straight dislocation // Phil. Mag. 1962. V.7, №77. P. 783-801.

34. Kroupa F., Hircsh P.B. Elastic interaction between prismatic dislocation loops and straight dislocations // Dislocation in solids. Discussions of then Faraday Society. Lond.: Batterworth Publ., 1964. №38. P. 49-55.

35. Kroupa F. Dislocation loops // Theory of crystal defects. Academia Prague. 1966. P. 275-316.

36. Хирт Дж., Лоте И. Теория дислокаций. М.: Атомиздат, 1972. 599 с.45,46,47,48