Самоорганизация дислокаций в ультразвуковом поле тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Плотников, Федор Алексеевич

• Плотников, Федор Алексеевич
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Плотников, Федор Алексеевич

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ ОБ ИЗМЕНЕНИЯХ ДИСЛОКАЦИОННОЙ СТРУКТУРЫ ПОД ДЕЙСТВИЕМ УЛЬТРАЗВУКА.

1.1. Экспериментальные данные об изменении дислокационной структуры кристаллов под действием ультразвука.

1.2. Исследование движения дислокаций в кристалле с помощью компьютерного моделирования.

1.3. Поведение динамических дислокационных диполей при наличии ультразвукового поля.

1.4. Границы блоков.

1.5. Постановка задачи.

ГЛАВА 2. МОДЕЛЬ И АЛГОРИТМ РАСЧЕТА.

2.1. Анализ движения прямолинейной краевой дислокации под действием ультразвука

2.2. Поведение ансамбля дислокаций в ультразвуковом поле

2.3. Алгоритм расчетов и методика проведения моделирования процесса самоорганизации системы дислокаций.

ГЛАВА 3. ДИНАМИЧЕСКИЕ ДИСЛОКАЦИОННЫЕ ДИПОЛИ

3.1. Поведение единичной дислокации в ультразвуковом поле

3.2. Поведение дислокационного диполя в ультразвуковом поле.

3.3. Вывод по результатам ЭВМ - экспериментов.

ГЛАВА 4.САМООРГАНИЗАЦИЯ ДИСЛОКАЦИЙ В УЛЬТРАЗВУКОВОМ ПОЛЕ.

4.1. Процесс формирования упорядоченных дислокационных структур в ультразвуковом поле.

4.2 Характерное время формирования ячеистой структуры в ультразвуковом поле.

4.3. Выводы по результатам главы 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Самоорганизация дислокаций в ультразвуковом поле»

При воздействии на кристаллы ультразвука можно ожидать появления специфических особенностей дислокационной структуры, обусловленных способом нагружения. В частности может иметь место явление полигониза-ции. Исследование процесса полигонизации в ультразвуковом поле представляет интерес с точки зрения фундаментальной проблемы физики твердого тела по взаимодействию полей со структурными дефектами. Результаты работы важны в связи с тем, что ультразвук является одним из способов придания кристаллам наперед заданных свойств, кроме того, высокочастотные вибрации сопровождают многие процессы, которым подвергаются материалы в процессе их эксплуатации. Изменение системы структурных дефектов под влиянием высокочастотных колебаний ультразвукового диапазона приводит к изменению и макроскопических физических свойств материалов. Детальное исследование процессов, происходящих в ультразвуковом поле, важно для оценки срока службы материалов и приборов, содержащих твердотельные элементы.

Задачей данного исследования является изучение процесса формирования в ультразвуковом поле дислокационных структур кристаллов. К числу характерных дислокационных структур, образующихся в ультразвуковом поле, относятся границы блоков в виде дислокационных стенок. Образование полигональных границ блоков при высокочастотной вибрации, можно отнести к явлениям самоорганизации дислокаций в ультразвуковом поле.

Таким образом, целью данной работы является исследование самоорганизации дислокаций в ультразвуковом поле.

Исследование проводилось применительно к щелочногалоидным кристаллам, подвергающимся высокочастотным колебаниям в килогерцовом диапазоне частот.

Для достижения поставленной цели используется метод ЭВМ-моделирования дислокационных процессов, который является наиболее информативным при детальном изучении процессов, происходящих в объеме кристаллов, длительность которых имеет порядок 10"5 с. На защиту выносится:

• Разработанные модель, алгоритм и пакет программ, позволяющие детально исследовать процесс самоорганизации дислокаций в ультразвуковом поле.

• Данные о структурах дислокационных комплексов и упорядоченных дислокационных ансамблей, формирующихся под действием ультразвука.

• Данные о влиянии частоты и амплитуды ультразвука на процесс самоорганизации дислокационных ансамблей.

• Упорядоченные дислокационные ансамбли, образовавшиеся в ультразвуковом поле заданной амплитуды, обладают достаточной устойчивостью, при дальнейшем повышении ультразвука не разрушаются.

Диссертационная работа состоит из 4 глав, содержит 45 рисунков и список литературы из 78 наименований.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Плотников, Федор Алексеевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Методом компьютерного моделирования исследован процесс самоорганизации дислокаций в ультразвуковом поле на примере ще-лочногалоидных кристаллов NaCl. Разработаны модель, алгоритм и пакет программ, позволяющие моделировать и визуализировать движение дислокаций и их перераспределение в ультразвуковом поле.

В ультразвуком поле происходит процесс самоорганизации дислокаций, в результате которого формируются упорядоченные комплексы дислокаций, включая и дислокационный стенки.

Анализ результатов моделирования позволяет сделать следующие выводы:

1. Под действием ультразвука, в неупорядоченных ансамблях происходит перераспределение дислокаций, в результате которого формируются упорядоченные динамические дислокационные структуры -диполи, мультиполи и дислокационные стенки, то есть имеет место самоорганизация дислокаций (происходит процесс полигонизации, образование ячеистой структуры).

2. Финальное распределение дислокаций по упорядоченным динамическим ансамблям зависит от начального расположения дислокаций и параметров ультразвука (амплитуды, частоты и времени его действия).

3. При заданной частоте (порядка 100 кГц) с ростом амплитуды ультразвука суммарный процент дислокаций, входящих в упорядоченные ансамбли, не изменяется, но число дислокационных комплексов, в виде дислокационных стенок различной протяженности, претерпевает изменение на протяжении всего времени действия ультразвука.

4. Существует характерное время достижения дислокационным ансамблем состояния «насыщения», при котором суммарный процент дислокаций, вошедших в упорядоченные структуры, не изменяется. Это характерное время зависит от частоты, амплитуды ультразвука и имеет порядок 100 периодов.

5. В ультразвуковом поле формируется система полигональных границ, состоящих из дислокаций одного знака и чередующихся по знаку дислокаций, в них входящих.

6. В отличие от дислокационных стенок, образующихся в результате термической обработки кристаллов (отжига), в границах, сформировавшиеся в ультразвуковом поле, дислокации не лежат в одной плоскости, и расстояние между дислокациями в границах не одинаковы так, что граница имеют тонкую структуру, содержит дислокационные диполи и мультиполи.

7. Дислокации, принадлежащие одной границе, колеблются синхронно. Соседние границы колеблются в противофазе, поскольку состоят из дислокаций противоположного знака.

8. Тонкая структура границ блоков определяется в основном начальным распределением дислокаций, и также зависит от параметров ультразвука.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Плотников, Федор Алексеевич, 2005 год

1. Тяпунина Н.А., Наими Е.К., Зиненкова Г.М. Действие ультразвука на кристаллы с дефектами М.: МГУ, 1999. - 238с.

2. Тяпунина Н.А. Упрочнение монокристаллов под влиянием ультразвуковых колебаний // Физика деформационного упрочнения кристаллов. -Киев: Наукова Думка, 1972. 320с.

3. Белозерова Э.П., Тяпунина Н.А, Швидковский Е.Г. Влияние предварительной деформации и отжига на изотермическое внутреннее трение монокристаллов висмута // Кристаллография. 1963. - Т.8,№2. -С. 232-237.

4. Швидковский Е.Г., Дургарян А.А. Зависимость внутреннего трения и модуля Юнга от температуры для некоторых металлов // Научные доклады высшей школы. 1958.-Т.1,№5.-С. 211 - 216.

5. Швидковский Е.Г., Тяпунина Н.А, Белозерова Э.П. Рождение дислокаций при вибрации кристаллов фтористого лития и хлористого натрия // Кристаллография. 1962. - Т.7,№ 3. - С. 473-474.

6. Тяпунина Н.А., Наими Е.К. Поляризационно-оптический метод измерения механических напряжений при высокочастотных вибрациях // Изв.АН Латв. ССР. Сер. физических и технических наук. 1970. - №6. -С. 30-33.

7. Тяпунина Н.А., Наими Е.К. Внутренние напряжения в ориентированных монокристаллах NaCl, деформированных ультразвуком // Вестн. Моск. ун-та. Сер. Физика, астрономия. 1976. - № 3. - С. 313-317.

8. Ивашкин Ю.А., Тяпунина Н.А. Влияние ультразвука на концентрацию точечных дефектов в кристаллах КВг // Кристаллография. -1982. Т.27, №5.-С. 1007-1009.

9. Особенности пластической деформации под действием ультразвука / Н.А. Тяпунина, В.В. Благовещенский, Г.М. Зиненкова, Ю.А. Ивашкин // Изв. высших учебных заведений. Физика. 1982. - №6. - С.118-128.

10. Пинес Б.Я., Омельяненко И.Ф. Размножение дислокаций под действием ультразвуковых колебаний в кристаллических образцах Си, Ni, А1 и в монокристаллах LiF и NaCl // Динамика дислокаций. -Харьков: ФТИНТ АН УССР, 1968.-873с.

11. Дипольные структуры, формирующиеся в магнии при базисном скольжении / А. Атта, В.В. Благовещенский, Г.М. Зиненкова, Н.А. Тяпунина // ФММ. 1982. - Т. 54,№2. - С.347-352.

12. Диполи из базисных дислокаций в магнии / А. Атта, Г.М. Зиненкова, Ю.Б. Лихушин, Н.А. Тяпунина // Кристаллография. 1986. - Т.31,№5. -С. 1029-1031.

13. The orientation dependence of dislocation internal friction in real crystals / N.A. Tyapunina, E.K. Naimi, S.V. Gasparyan, G.M. Zinenkova // Phys. Stat. Sol. (A). -1978. V. 46. - P. 411-420.

14. Бушуева Г.В., Кондорский И.Е. Эволюция дефектной структуры кристаллов // ФТТ. 1989. - № 31. - С.71.

15. Tyapunina N.A., Pashenko T.N., Zinenkova G.M. The Structure of Dislocation Networks in the Basal Plane of Zinc Single Crystfls //Phys. Stat. Sol. (A). 1975. - V.31. -P.309-321.

16. Shvidkovsky E.G., Belozerova E.P., Tyapunina N.A. Effect of High-Freguency Vibrations on the Dislocation Stucture and Internal Friction of Alcali-Halide crystals // J. Phys. Sos. of Japan. 1963. - V.18,Sup. I. - P.161-162.

17. Тяпунина H.A., Наими E.K., Курбанов Г.З. Поглощение ультразвука в ионных кристаллах, обусловленное действием на дислокации сил сухоготрения // Внутреннее трение и тонкое строение металлов и неорганических материалов. -М.: Наука, 1985. 583с.

18. Классен-Неклюдова М.В., Капустин А.П. Влияние ультразвука на поля упругих напряжений в кристаллах // ДАН СССР. 1951. - №77. -С.1019.

19. Шальнова Н.И. Исследование полос скольжения в щелочно-галоидных кристаллах, деформированных ультразвуком: Дипл. раб. М.: МГУ, 1976.-63с.

20. Тяпунина Н.А, Штром Е.В., Зиненкова Г.М. Дислокационная структура кристаллов КС1, деформированных ультразвуком // Вестн. Моск. ун-та. Сер. Физика, астрономия. 1978. - Т.19,№ 2. - С. 33-39.

21. Baker G.S. Dislocation motion and asymmetric resonance peaks // J. Appl. Phys. 1962. - T.33, N 11. - P. 3366-3368.

22. Швидковский Е.Г., Тяпунина H.A., Хзарджян C.M. Внутреннее трение и релаксация в связи с движением дислокаций // Релаксационные явления в твердых телах. -М.: Металлургия, 1968. 793с.

23. Белозерова Э.П., Тяпунина Н.А, Казак Ф.А. О частотной зависимости внутреннего трения монокристаллов фтористого лития // ФТТ. 1966. — Т.8, №3. - С. 3375-3378.

24. Случ В.Н. Изучение деформации ультразвуком монокристаллов цинка и ориентационной зависимости внутреннего трения: Дипл. раб. М.: МГУ, 1970.-52 с.

25. Тханг Н. Исследование структуры границ блоков в монокристаллах цинка: Дипл. раб. М.: МГУ, 1972. - 63 с.

26. Tyapunina N.A., Ivachkin Ju. A Excess Concentration of Point Defects in Alkali Halide Crystals Exposet to Ultrasonic Waves // Phys. Stat. Sol. (A). -1983.-V.79.-P.351-359.

27. Ивашкин Ю.А. Образование дефектов в щелочно-галоидных кристаллах и пластической деформации ультразвуком: Автореф. дис. . канд. физ.-мат. наук. -М.: МГУ, 1983. 16 с.

28. Тяпунина Н.А., Штром Э.В. Размножение дислокаций в монокристаллах цинка под влиянием ультразвука // ФММ. 1967. - Т.23,№4. - С. 744-747.

29. Пинес Б.Я., Омельяненко И.Ф. Размножение дислокаций в металлических и ионных кристаллах под действием ультразвука // ФММ. 1969. — Т.28,№1. - С.110 - 114.

30. Пала Е.В. Особенности пластического деформирования ультразвуком щелочно-галоидных кристаллов: Автореф. дис. . канд. физ.-мат. наук. -М.: МГУ, 1992.-20 с.

31. Тяпунина Н.А. Зиненкова Г.М. Взаимодействие элементарных дислокационных ансамблей в процессе скольжения // Элементарные процессы пластической деформации кристаллов. Киев: Наукова Думка, 1978. - 190с.

32. Дислокационная структура магния, деформированного ультразвуком / Н.А. Тяпунина, Г.М. Зиненкова, С.В. Гаспарян, А. Атта //ФММ. 1979. - Т.48,№ 5. - С. 1017-1024.

33. Зиненкова Г.М, Пащенко Т.Н.,Тяпунина Н.А. Структура двухслойных дислокационных границ блоков в цинке // ФММ. 1982. - Т.53,№6. -С.1203 - 1208.

34. Влияние ультразвукового воздействия и нейтронного облучения на структуру и механические свойства меди / И.А. Наскидашвили, И.К. Jlece-лидзе, М.Т. Асатиани, Э.С. Лапиашвили // Электронная микроскопия: Тез. докл. на Всесоюзном симп. М., 1983. - С. 187.

35. Алыииц В.И., Инденбом В.Л. Динамика дислокаций // Проблемы современной кристаллографии. -М.: Наука, 1975. 327с.

36. Гилман Дж., Джонстон В. Зарождение и рост полос скольжения в кристаллах фтористого лития // Дислокации и механические свойства кристаллов. М.: Наука, 1960. - 552с.

37. Лаврентьев Ф.Ф., Гектин А.В., Гектина И.В. Особенности температурной зависимости деформирующего напряжения и эволюции структуры в монокристаллах цинка при запрещенном базисном скольжении // ФММ. -1990. -Т.70,№ 12.-С. 112-116.

38. Косевич A.M. Динамическая теория дислокаций // УФН. 1964. -№ 84. - С. 579-609.

39. Косевич A.M. Некоторые вопросы дислокационной теории двойников // ФТТ. 1962. -Т.4,№5. - С. 1103-1112.

40. Нацик В.Д., Чишко К.А. Динамика и звуковое излучение дислокационного источника Франка-Рида // ФТТ. 1975. - Т. 17,№2. - С.342-345.

41. Косевич A.M. Физическая механика реальных кристаллов. Киев: Наукова Думка, 1981. - 426 с.

42. Предводителев А.А. Подвижность, гибкость дислокаций и влияние этих факторов на их взаимодействие и прохождение через препятствия // Динамика дислокаций. Харьков: ФТИНТ АН УССР, 1968. - 873с.

43. Бушуева Г.В., Предводителев А.А. Исследование взаимодействия отталкивающихся дислокаций, расположенных в плоскости базиса и пирамиды второго рода в кристаллах цинка // Динамика дислокаций. Харьков: ФТИНТ АН УССР, 1968.- 873с.

44. Бушуева Г.В., Полисар Л.М., Предводителев А.А. Анализ процесса взаимодействия гибких дислокаций в пересекающихся плоскостях скольжения (случай притяжения) // Кристаллография. 1976. - Т.21, вып. 5. - С. 985 -990.

45. 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.

46. Предводителев А.А., Бушуева Г.В., Полисар JI.M. Методы моделирования процессов взаимодействия гибких дислокаций // Дефекты в кристаллах и их моделирование на ЭВМ. -Д.: Наука, 1980. 214с.

47. Исследование взаимодействия базисных дислокаций с дислокационными кольцами в кристаллах цинка / Г.В. Бушуева, А.А. Предводителев, Р.Д. Фролова, В. Шарфф // ФММ. 1979. - Т.48,№3. -С. 647-653.

48. Предводителев А.А., Игонин С.И. Формирование полос скольжения при пластической деформации кристаллов // Элементарные процессы пластической деформации кристаллов. -Киев: Наукова Думка, 1978. 190с.

49. Предводителев А.А., Игонин С.И. Моделирование на ЭВМ процесса расширения полос скольжения // ФТТ. 1977. - Т.19,№9. - С. 1774-1777.

50. Игонин С.И., Предводителев А.А. Моделирование движения дислокаций вблизи полос скольжения // Вестн. МГУ. Физика. 1975. - №5. - С. 588-593.

51. Игонин С.И., Предводителев А.А. Особенности работы источников дислокаций в нерегулярном поле напряжений, создаваемом полосой скольжения // Вестн. МГУ. Физика. 1976. - №3. - С. 338-343.

52. Ничуговский Г.И. Моделирование процесса прохождения скользящих дислокаций через дислокационный лес и полосы скольжения: Дис. канд. физ.-мат. наук. -М.: МГУ, 1976.-157с.

53. Веселов В.И., Ничуговский Г.И., Предводителев А.А. Моделирование процесса образования полосы скольжения // Известия ВУЗов. Физика. -1981. Т.24,№9. - С. 82-86.

54. Веселов В.И., Ничуговский Г.И., Предводителев А.А. Закономерности формирования дислокационной структуры линии скольжения // Известия ВУЗов. Физика. 1983. - №1. - С. 65-69.

55. Благовещенский В.В., Зиненкова Г.М. Анализ изменения структуры дефектов в кристалле цинка под действием знакопеременной нагрузки // Моделирование на ЭВМ дефектов в кристаллах. -JL: ФТИ АН СССР им. А.Ф. Иоффе, 1979.-342с.

56. Тяпунина Н.А., Благовещенский В.В., Зиненкова Г.М. Особенности формирования полосы скольжения под действием ультразвука: Деп ВИНИТИ, 1982.- №3769-83.-35с.

57. Ломакин А.Л. Размножение дислокаций при динамических нагрузках и неоднородном поле внутренних напряжений в кристаллах: Автореф. дис. . канд. физ.-мат. наук. -М.: МГУ, 1987.- 18 с.

58. Горячев С.Б., Шаленков А.В. Анализ изменения структуры дефектов в процессе отжига // Эволюция дефектов структуры кристаллов. -Л.: ФТИ АН СССР им. А.Ф. Иоффе, 1984. 473с.

59. Горячев С.Б., Шаленков А.В. Моделирование формирования дислокационных ансамблей в процессе отжига // Моделирование на ЭВМ кинетики дефектов в кристаллах. -Л.: ФТИ АН СССР им. А.Ф. Иоффе, 1985. 378с.

60. Руссиян А.А. Моделирование процесса перегруппировки дислокационного ансамбля // Кинетика и термодинамика пластической деформации.- Барнаул: АлтГУ, 1988. -4.1. 139с.

61. Gilman J.J., Johnston W.G. Dialocation velocities, dislocation densities, and plastic flow in lithium fluoride crystals // J. Appl. Phys. 1960. - V.31. — P.687.

62. Gilman J.J. The plastic resistance of crystals // J. Appl. Phys. 1962. -V.33.-P. 2703.

63. Chen H.S., Gilman J.J., Head A.K. Dislocation multipoles and their role in strain-hardening // J. Appl. Phys. 1964. - V.35,№8. - P. 2502-2514.

64. Marcinkowski M.J., Lasko G. Regional dislocation dipoles // J. Appl. Phys. 1967. - V.38. - P.2124.

65. Marcinkowski M.J., Oslon N.J. Influence change of structure of defects on hardening of a crystal // Phil. Mag. 1969. - V.19. - P.l 111.

66. Marcinkowski M.J., Leamy H.J. The plastic deformation behaviour of long-range ordered iron-aluminum alloys // J. Appl. Phys. 1969. - V.40. -P.3095.

67. Sandanada K., Marcinkowski M.J. Research of stability of a dipole in absence of dynamic friction // J. Appl. Phys. 1972. - V.43. - P.293.

68. Sandanada K., Marcinkowski M.J. Influence of a starting pressure on stability a dipole of structure // J. Appl. Phys. 1972. - V.43,№6. - P.2609.

69. Христу X. Особенности формирования диполей и мультиполей под действием ультразвука: Дис. . канд. физ.-мат. наук. М.: МГУ, 1991. -150с.

70. Физика кристаллов с дефектами / А.А. Предводителев, Н.А. Тяпунина, Г.М. Зиненкова, Г.В. Бушуева. -М.: МГУ, 1986. 240с.

71. Хирт Дж., Лоте И. Теория дислокаций. М.: Атомиздат, 1972.235 с.

72. Рид В.Т. Дислокации в кристаллах. -М.: Металлургиздат, 1957.360 с.

73. Дегтярев В.Т. Моделирование процессов прохождения скользящих дислокаций через хаотические ансамбли колеблющихся дислокаций: Дис. . канд. физ.-мат. наук. Калуга: МГТУ, 1989. - 165 с.

74. Акустические кристаллы: Справочник / А.А. Блистанов, B.C. Бон-даренко, Н.В. Переломова и др. М.: Наука, 1982. - 235с.

75. Предводителев А.А. Подвижность, гибкость дислокаций и влияние этих факторов на их взаимодействие и прохождение через препятствие // Динамика дислокаций. Харьков: ФТИНТ АН УССР, 1968. - 873с.