Введение к работе
Актуальность проблемы. При разработке металлов и сплавов, упрочняющих технологий стоит проблема описания механических свойств материалов с точки зрения закономерностей формирования и эволюции дефектной структуры твердых тел в процессе нагружения.
Для имеющейся классификации типов дефектных структур деформированных металлов на сегодняшний день отсутствует общая динамическая теория переходов из одного структурного состояния в другое. Не вполне ясен вопрос об участии структурообразования и структурных переходов в конкретных проявлениях пластического, течения кристаллических твердых тел.
Теоретическое обобщение экспериментальных данных по зволго-. ции дислокационных структур, полученных в последние десятилетие, наталкивается на ряд серьезных и естественных трудностей. Оказалось, что даже достаточно полные представления о движении индивидуальных дислокаций и отдельных механизмов пластической деформации не позволяют описать как эволюцию структуры-материала, так и изменения его механических свойств.
Эти трудности привели к появлению ряда новых подходов, в которых обращается внимание на особенности процесса пластической деформации, игнорировавшиеся ранее. Было отмечено, что деформируемый кристалл следует рассматривать как открытую неравновесную систему, а пластическое течениеткак диссипативный процесс, обусловленный актами размножения, уничтожения, взаимодействия носителей пластической деформации, их диссипативной динамикой.
Отмеченные особенности деформации твердых тел позволяют подойти к изучению проблемы в рамках представлений теории самоорганизующихся диссипативных структур, возникшей на стыке нескольких наук (физики, химии, биологии и т.д.) и получившей, название синергетики.
В рамках этого подхода возможно описание, которое учитывает совместное действие отдельных частей какой-либо неупорядоченной, неравновесной системы, в результате чего происходит самоорганизация - возникают макроскопические пространственные, временные или пространственно-временные структуры.
Цель работы - теоретически исследовать на основе эволюционных уравнений некоторые режимы пластической деформации и механизмы возникновения неоднородных дислокационных структур с позиций подходов, развитых в области синергетики и смежных с ней дисциплинах. Соотнести полученные результаты с экспериментом.
Научная новизна. В диссертационной работе в рамках континуального подхода1 на основе эволюционных уравнений для плотности дислокаций впервые систематически проводится теоретическое рассмотрение возможности спонтанного возникновения неоднородных дислокационных структур с детальным анализом устойчивости стационарных неравновесных решений. Установлено, при каких условиях возможна неустойчивость в дислокационном ансамбле, приводящая к расслоению однородного состояния. Исследован вопрос нахождения нелинейных решений в режиме "мягкого" и "жесткого" возбуждения диссипативной структуры. Установлена связь характерного пространственного масштаба возникающей неоднородной структуры с плотностью дислокаций, подтверждаемая экспериментально. Рассмотрены кинетические механизмы возникновения дислокационных скоплений и устойчивых полос скольжения. Исследован скачкообразный характер пластической деформации сплавов с точки зрения автоволнового поведения ансамбля дислокаций.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Коллективные эффекты нелинейной динамики дислокаций допускают исследование в рамках континуального подхода на основе эволюционных уравнений для плотности непрерывно распределенных дислокаций, которые получены иа полкой системы дифференциальных уравнений динамики упругого твердого тела с дислокациями.
-
Неустойчивость в дислокационном ансамбпе, приводящая к рассслоению однородного состояния, возможна, если эволюция дислокационного ансамбля описывается, как минимум, двумя типами дислокаций, находящимися в различных динамических состояниях.
-
Явление спонтанного возникновения неоднородных периодических дислокационных структур допускает описание в рамках предложенной модели для дислокаций двух типов - быстрых и медленных. Показано, что характерный пространствешгый период возникающей диссипативной структуры обратно пропорционален корню квадратному из средней плотности дислокаций. Диссипатившле 'дислокационные структуры, являясь сугубо неравновесными, инициируют образование неоднородных дислокационных . структур кьа;.'иравног;есного типа,
повторяющих в целом геометрию диссгатативньгх структур.
-
Эволюция дислокационного ансамбля описывается системой уравнений для дислокаций одного типа в случае, когда плотность стоков дислокаций много меньше или много больше плотности подвижных дислокаций. Для первого случая характерна эволюция возмущений избыточной плотности дислокаций (дислокационного заряда), описывающаяся нелинейным уравнением Бюргерса. Для второго - эволюция суммарной плотности дислокаций, описывающаяся уравнением Фишера. Динамические решения для этих уравнений в виде ударных волн интерпретируются соответственно как распространение дислокационных скоплений и устойчивых полос скольжения.
-
Эффект Портевена-Ле Шателье в сплавах находит объяснение в рамках предложенной автоволновой модели пластической деформации. Показано, что период колебаний обратно пропорционален скорости пластической деформации и уменьшается с ростем температуры.
Практическая ценность. Полученные в работе результаты могут быть использованы:
при прогнозировании изменения дислокационной структуры и, следовательно, механических свойств деформируемых твердых тел;
при разработке новых упрочняющих технологий;
при изучений коллективных явлений дефектов кристаллической решетки;
при исследовании неустойчивых режимов пластической дэфоп-мации.
Апробация работы. Основные'положения и материалы диссертации докладывались на IV Республиканской конференции "Субструктурное упрочнение металлов" (Киев, 1990), II Всесоюзном симпозиуме по перспективным материалам "Синергетика. Новые технологии получения 'и свойства' металлических материалов" (Москва, 1991), Всесоюзной научно-технической конференции "Триботехника-машиностроению" (Москва.1991), а также на семинарах НГПУ, НПФ і". ШГУ.
Публіжапш^ По материалам диссертации опубликовано десять работ.
ЯїВШТУР^іиійШЬІШЗЯШ' Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы. Содержит 187 страниц, включая 23 рисунка, 1 таблицу и 10 страниц списка литературы (ПЗ наименований).
Похожие диссертации на Кинетические механизмы эволюции дислокационных структур в деформируемых твердых телах
