Введение к работе
Актуальность проблемы. Постоянно возрастающие требования к уровню надежности изделий из металлов и сплавов, работающих в жестких условиях нагружения (низкие температуры, циклические и динамические нагружения) определяют задачу всестороннего изучения микро- и макромеханизмов пластического деформирования и разрушения материалов в этих условиях, а также развития методов прогнозирования поведения металлических материалов в изделиях по данным испытания лабораторных образцов. Для эффективного решения данной проблемы необходимо иметь адекватное представление о закономерностях эволюции дислокационной структуры металлов и сплавов в ходе пластической деформации и их связи с механическими свойствами и разрушением материала.
В настоящее время в литературе имеется достаточное количество теоретических и экспериментальных данных, свидетельствующих о том, что существенную роль в формировании закономерностей пластического течения в ГЦК, Ш и ОЦК металлах играет структура ядер расщепленных дислокаций, позволяющая объяснить также и различие ряда механических свойств, наблюдаемое на практике у ОЦК материалов по сравнению с плотноупакованными структурами. Вместе с тем наряду с расщепленными дислокациями в кристаллах присутствуют полные (нерасщепленные) дислокации, структура ядер которых, как показано в диссертационной работе, оказывает существенное влияние на прочность и разрушение материалов с различными решетками. К настоящему времени наиболее полно изучена структура ядер полных дислокаций в некоторых ОЦК кристаллах, тогда как вопросы исследования нерасщепленных дислокаций в ГЦК и Ш металлах остаются открытыми. Таким образом, определение основных характеристик ядер полных дислокаций в плотноупакованных структурах и установление их связи с механическими свойствами и разрушением металлов и сплавов является актуальной задачей.
Диссертация выполнена в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ Пермского политехнического института на 1986-1990 годы в рамках госбюджетной научно-исследовательской работы "Исследование напряженно-деформированного состояния и физических свойств в конструкциях и процессах".
Цель работы:
- определение с помощью численного метода молекулярной дина-
мики основных характернетик ядер полных винтовых и краевых дислокаций с вектором Бюргерса Q/2 <П0)> в ряде ГЦК металлов;
вычисление на базе полученных результатов критической плотности энергии колебания атомов и экспериментальное подтверждение ее сеязи с,полной удельной работой равномерной деформации важнейших промышленных металлов и сплавов с ГЦК структурой;
изучение влияния ширины ядер нерасщепленннх дислокаций и рассчитанных на ее основе энергетических критериев разрушения материала на ряд механических характерлсипс пластического поведения конструкционных материалов с различной структурой при циклическом нагружешш.
Научная новизна полученных в диссертационной работе результатов заключается в том, что в соответствии с поставленной целью, впервые:
рассчитаны для алшиния, никеля и уточнены для меди с помощью численного метода молекулярной динамики радиусы и энергия ядер полных краевых и винтовых дислокаций с учетом влияния на искомые характеристики начальных условий введения дислокации в модельный кристаллит;
определены на базе рассчитанных значений ширины ядер полных дислокаций энергетические критерии разрушения для ряда материалов с ГЦК решеткой;
экспериментально показано, что для каждого ГЦК металла и его важнейших промышленных сплавов существуют дискретные пороговые уровни энергии, которые материал способен поглотить до разрушения и установлена их сачзь с энергетическими критеріями разрушения, рассчитанными для чистых металлов;
показано близкое соответствие ширины ядер полных дислокаций минимальному скачку усталостной трещины при ее росте для ряда машиностроительных сплавов на основе железа и алюминия;
установлено, что дискретное строение усталостных бороздок в изломе конструкционных материалов при циклическом кагружении обусловлено дискретным характером поглощения подводимой механической энергии.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
- результаты настоящего исследования, установившего, что для
важных промышленных металлов и сплавов с ГЦК решеткой существуют
дискретные пороговые уровни энергии, которые материал способен
поглотить до разрушения, позволяют рекомендовать для использова
ния в машиностроении ряд надежных и перспективных материалов, об-
ладаодих наибольшей энергоемкостью и высокими прочностными характеристиками;
на основе показанного близкого соответствия ширины ядер полных дислокаций минимальному скачку усталостной трещины при ее росте предложен способ приближенной оценки порогового коэффициента интенсивности напряжений для конструкционных материалов, экспериментальное определение которого в процессе усталостных испытаний является слишком трудоемким;
предложенная модель формирования усталостных бороздок, устанавливающая количественную связь мпкроскорости роста усталостной трещины с коэффициентом интенсивности напряжений, монет быть использована при разработке фрактографического метода определения порогового значения коэффициента интенсивности напряжений промышленных металлов и сплавов, а также дает возможность значительно упростить оценку ресурса долговечности и несущей способности изделий при усталости.
Методология исследований и достоверность научных положений.
Для определения структуры ядра дислокаций в диссертационной работе использован метод молекулярной динамики. Достоверность методики расчета подтверждается сопоставлением результатов решения тестовых задач по разработанной программе с приведенными в литературе решениями, полученными по другим методикам. Достоверность экспериментальных результатов основана на статистической обработке данных.
На защиту выносятся:
методика и результаты расчета основных характеристик ядер полных краевых и винтовых дислокаций типа а/2 <П0> в ГЦК металлах, основанные на численном методе молекулярной динамики;
экспериментальное доказательство существования для каждого ГЦК металла и промышленных сплавов на его основе дискретных пороговых уровней энергии, которые материал способен поглотить до разрушения и их связь с энергетическими критериями разрушения, полу -ченными в результате расчета;
модель формирования усталостных бороздок, учитывавдая дискретный характер поглощения подводимой механической энергии.
Аппробадия -работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Пятой зимней школе по механике сплошных сред (г. Перль, 1983); на Ш Всесоюзной конференции по прочности и пластичности (г. Пермь, 1983); на IX конференции по усталости металлов (г. Москва, 1986); на П Симпозиуме по ползучести материалов (г. Белосток, Польша, 1986); на I Всесо-
юзной научно-технической конференцій "Надежность оборудования, производств и автоматизированных систем в химических отраслях промышленности" (г. Уфа, 1987); на УК! Симпозиуме "Деформация и разрушение" (г. Магдебург, Германия, 1988); не научно-технической кохі'^ерешіт""' "Прогрессивные и малоотходные технологии кузнечно-п^'.ліоаочного производства" (г. Челябинск, 1988); на У Всесоюзном со..ь:наре "Структура дислокаций и .механические свойства металлов и пилавов" (г. Свердловск, 1990).
Г.убликацпп. Результаты выполненных по теме диссертации исследований опубликованы в 8 научных работах.
Структура и объем диссертационной работы, диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка использованной литературы, содержащего III наименований..Работа изложена на 119 страницах машинописного текста, включает 8 рисунков, II таблиц,