Целями освоения дисциплины «Физика пластичности и прочности кристаллических материалов» являются формирование у студентов представления о современных моделях и феноменологических теориях пластичности и прочности кристаллических материалов, основанных на представлениях о пластических свойствах, как процессах генерации и движения взаимодействующих дислокаций с учетом эволюции дефектных субструктур. Материал дисциплины должен дать основу для понимания современных физических принципов и современных идей в разработке конструкционных и функциональных материалов, освоение методов и умения в выборе ограниченного числа основных факторов в конкретных явлениях пластического течения кристаллических материалов, которые позволяют сохранить его главнейшие черты, четко сформулировать постановку задачи и разработать физическую модель (феноменологическую теорию) рассматриваемых процессов
Изучение дисциплины предполагает выполнение следующих задач:
- ознакомление студентов с основными закономерностями пластического течения монокристаллов металлов и сплавов;
- изучение взаимосвязи прочностных свойств с характерными особенностями дислокационных субструктур, их эволюцией и современными феноменологическими теориями этих явлений;
- знакомство с основными закономерностями, физическими моделями и количественными оценками влияния термически-активируемых процессов на механические и пластические свойства монокристалловы металлов и сплавов;
- изучение взаимодействия дислокаций с атомами примесей в кристаллах, формированием локальных неоднородностей состава и их влиянием на механические свойства;
- изучение закономерностей формирования прочностных и пластических свойств в гетерофазных материалах с теоретическим анализом явлений дисперсного упрочнения;
- изучение коллективных эффектов в ансамблях дефектов структуры и формированием ротационных мод деформации;
- знакомство со структурой и свойствами дисклинаций, как элементарных физических носителей ротационных мод деформации;
- изучение особенностей пластического течения в сверхструктурах;
- анализ основных направлений создания высокопрочных материалов.
Дисциплина «Физика пластичности и прочности кристаллических материалов» относится к дисциплинам общенаучного цикла магистерской программы «Физика конденсированного состояния». Содержательно она знакомит слушателей с современным состоянием проблемы целенаправленного формирования механических (конструкционных)свойств кристаллических материалов и конкретных задач этой проблемы. На примере анализа изучаемых в дисциплине структурных моделей и феноменологических теорий различных процессов студенты получают навыки выделения основных факторов формирования прочностных свойств различных материалов.
Содержание дисциплины
1. Кристаллография скольжения. Природа предела текучести.
Системы скольжения в кристаллах. Кривые течения монокристаллов. Первичная и скрытие системы скольжения. Анализ касательных напряжений в скрытых системах. Влияние ориентации кристалла. Физическая природа критического скалывающего напряжения. Реализация макроскопического сдвига движением и размножением дислокаций. Напряжение Пайерлса. Генерация дислокаций. Источники Франка-Рида и механизм двойного поперечного скольжения. Дислокационная решетка Тейлора. Взаимодействие пробной дислокации с дислокационной решеткой Тейлора и лесом дислокаций. Дальнодействующее и короткодействующее взаимодействие дислокаций.
2. Теория деформационного упрочнения монокристаллов.
Три стадии скольжения в кубических кристаллах. Феноменология скольжения и упрочнения на I стадии. Скольжение по скрытым системам и образование дислокационных барьеров. Формирование дальнодействующих напряжений в дислокационных скоплениях. Релаксация напряжений плоских скоплений. Формирование ячеистых дислокационных структур. II стадия скольжения. Дислокационные модели и феноменологические теории упрочнения (модели дальнодействующего и короткодействующего взаимодействия дислокаций, модель композита, модель Кульман-Вильсдорф). Массовое поперечное скольжение. III стадия скольжения. Явление динамического дислокационного возврата. Анализ III стадии по Штремелю. Полосовые структуры. Разориентированные ячеистые структуры. Фрагментация кристаллов.
3. Термически-активируемое скольжение дислокаций.
Термическая и атермическая компоненты напряжения течения. Термическая активация движения дислокаций в поле локальных препятствий. Скорость активируемого движения дислокаций. Энергия и объем активации. Термически активируемые движения дислокаций в потенциале Пайерлса. Модель Дорна-Рэйнока. Энергия и объем активации дислокаций в модели Рэйнока. Термически активируемое движение дислокаций и макроскопическое течение в кристаллах Диффузионное переползание дислокаций. Особенности термически активируемого течения в ковалентных кристаллах металлических кристаллах с О.Ц.К. и Г.Ц.К. решетками.
4. Коллективные и ротационные моды деформации.
Понятие дисклинаций. Частичные и полные дисклинации. Поле напряжения клиновой дисклинации. Дисклинационные диполи. Сочетание сдвига и поворот решетки. Экспериментальное наблюдение дисклинаций. Локализация сдвига. Структурные аспекты и характерные дефектные субструктуры мезоуровня деформации и кривизна кручение решетки как количественная характеристика дефектной структуры мезоуровня деформации.
5. Твердорастворное упрочнение. Сегрегации примеси на дислокациях. Структура и движение дислокаций в интерметаллидах.
Взаимодействие дислокаций с растворенными атомами. Теория упрочнения твердых растворов. Примесные сегрегации на дислокациях. Упругое взаимодействие атомов примеси с дислокацией (сегрегации Коттрелла), химическое взаимодействие (сегрегации Сузуки). Сверхдислокации в упорядоченных сплавах и интерметаллидах. Сверхдислокации в В2 интерметаллидах. Структура сверхдислокаций в L12 решетке по Марсинковскому. Плоское и объемное расщепление дислокаций в сверхструктуре L12. Механизмы закрепления сверхдислокаций Флинна, Кира, Витека. Зависимость энергии антифазных границ в L12 сверхструктуре от параметра порядка. Аномальная температурная зависимость сопротивления движению дислокаций в сверхструктурах.
6. Дислокационные модели и теория дисперсного упрочнения в гетерофазных сплавах.
Дислокационные модели взаимодействия с частицами атомно-упорядоченных фаз. Механизм Хэма и теория предела текучести в сплавах с атомно-упорядоченной фазой. Поле напряжений сферического включения. Упругое взаимодействие дислокаций с частицами вторичных фаз. Дислокационная модель Герольда-Хаберкорна и теория предела текучести в сплавах с упругими включениями вторичных фаз. Огибание дислокациями включений вторичных фаз. Механизм Орована. Теория предела текучести в сплавах с частицами некогерентных фаз. Дислокационные кольца Орована. Особенности упрочнения гетерофазных сплавов. Нерелаксированные состояния. Механизм упрочнения Харта. Призматическое скольжение дислокаций на частицах вторичных фаз. Геометрически необходимые дислокации. Дислокационная модель Эшби. Теория упрочнения и модели локального призматического скольжения на частицах вторичных фаз. Основные принципы создания современных высокопрочных материалов.
Фонд контрольных заданий
- Важнейшие закономерности течения и особенности субструктуры кристаллов на I стадии скольжения.
- Какие процессы определяют переход от I к II стадии скольжения?
- Условия возможности использования модели пробной дислокации при анализе закономерностей упрочнения кристаллов.
- Как и почему энергия дефектов упаковки влияет на развитие III стадии скольжения?
- Почему не наблюдаются дисклинации в исходных монокристаллах?
- Какие особенности структуры винтовых дислокаций в О.Ц.К. кристаллах ограничивают их подвижность?
- Почему наблюдается термически активируемый отрыв дислокаций от сегрегаций Коттрелла?
- Как образуются трубки антифазных доменов при движении сверхдислокаций?
- Чем может быть обусловлено формирование геометрически необходимых дислокаций в ячеистых дислокационных структурах?
- Почему в кристаллах не наблюдаются полные дисклинации?
- Какие характеристики гетерофазной структуры сплавов и частиц вторичных фаз определяют дисперсное упрочнение?
- Какие особенности движения дислокаций обуславливают аномальную зависимость механических свойств от температуры в интерметаллидах?
- Приведите схему последовательного огибания частиц в гетерофазных сплавах механизмом поперечного скольжения?
- Какие экспериментальные данные свидетельствуют о том, что в металлах и сплавах с Г.Ц.К. механизм Пайерлса не влияет на предел текучести?
- Какие особенности скольжения наблюдаются на I и II стадиях упрочнения металлов с Г.Ц.К. решеткой.
Приблизительные вопросы для экзамена
- Расчет энергии активации движения двойного перегиба на дислокации в модели Дорна в потенциале Пайерлса при ts¹0.
- Сегрегации Сузуки. Расчет сегрегации в модели регулярного твердого раствора.
- Расчет упрочнения в механизме упругого взаимодействия дислокаций с частицами вторичных фаз (модель Герольда-Хаберкорна).
- Энергия упругого взаимодействия атома примеси с краевой дислокацией.
- Переход к III стадии скольжения в монокристаллах. Расчет напряжения перехода к III стадии при поперечном скольжении.
- Модель Эшби образования призматических петель дислокаций на недеформируемой частице («выдавливание» призматических петель).
- Условия насыщения сегрегации Коттрелла на дислокации. Эффект закрепления дислокаций этими сегрегациями.
- Расчет зависимости энергии антифазной границе сдвига в L12 сверхструктуре по Марсинковскому.
- Модель дисперсного упрочнения Эшби. Расчет зависимости напряжения течения по Эшби.
- Огибание включений в гетерофазных сплавах по механизму Орована. Критическое напряжение огибания. Кольца Орована.
- Пересечение скользящей дислокацией и «леса» дислокаций. Расчет напряженияпересечения.
- Экспериментальные методы определения энергии и объема активации движения дислокаций.
- Закономерности пластического течения и дислокационная субструктура на II стадии скольжения. Модель композита (Muhg rabi) на этой стадии.
- Подобие дислокационных структур на различных стадиях скольжения. Модель Кульман-Вильсдорф упрочнения на стадиях II, III стадиях деформации монокристаллов.
Основная литература:
- Хирт Дж., Лоте И. Теория дислокаций. - М.: Атомиздат, 1972. - Гл. 9, 15, 19, 20,21,22.
- Набарро Ф. Р. Н., Базинский 3. С., Холт Д. Б. Пластичность чистых монокристаллов. - М.: Металлургия, 1967. - Гл. , , IV.
- Бернер Р., Кронмюллер Т. Пластическая деформация монокристаллов. - М.: Металлургия, 1969. - С. 272.
- Штремель М. А. Прочность сплавов, ч. II. Деформация. - М., Изд. МИСИС, 1997. - Гл. 1. - С. 13-58; Р. 3.3. - С.114-119; 137-147, Р 4.2. - С. 1185-187; Гл.У. - С. 230-314; Гл. VI. - С. 364-408.
- Клэрборо Л. М., Харгривс М. Е. Упрочнение металлов. // Успехи физики металлов. Т. 5. - М.: Металлургия, 1976. - С. 7-126.
- Kuhlman-Wilsdorf D. Theory of plastic deformation properties of low energy dislo- V cation structures // Mater. Sci. and Eng. - 1989.-V. A 113.-P. 1-41.
- Малыгин Г. А. Процессы самоорганизации дислокаций и пластичность кристаллов. УФН, 1999. - Т. 169 - № 9. - С. 979-1010.
- Хирш П. Распределение дислокаций и механизмы упрочнения в металлах. //Структура и механические свойства в металлах. - М.: Металлургия, 1967. - С.42-75.
- Рыбин В. В. Большие пластические деформации и разрушение металлов. - М.: Металлургия, 1986. - С. 9-61.
- Владимиров В. И., Романов А. Е. Дисклинации в кристаллах. - Л.: Наука, 1 986. - С. 13-36, 51-72, 83-95.
- Физическое металловедение / Пер. с англ. Под ред. Абрамова О. В., Копецкого Ч. В., Серебрякова А. В. т. 3. -М.: Металлургия, 1987. – С. 12-142, 188-245. .
- Физика прочности и пластичности / Пер. с англ. Под ред. Гордиенко Л. К. -М.: Металлургия, 1972. - С. 88-107, 158-185.
- Мартин Дж. Микромеханизмы дисперсного твердения. - М.: Металлурги я. Физическая мезомеханика, 1998. - Т. . № I. - С. 3-35.
- Гринберг Б.А., Иванов М.А. Интерметаллиды 3и : Микроструктура, деформационное поведение. - Екатеринбург: УРО РАН, 2002. - С. 350.
Дополнительная литература:
- Материалы Всесоюзного совещания по дефектам структуры в полупроводниках., ч. , II. - Новосибирск: Изд. АН СССР.
- Мильман Ю. В., Трефилов В. И., Фирстов С. А. Физические основы прочности тугоплавких металлов. - Киев: Наукова Думка, 1975. - С. 316
- Орлов А. Н., Перевезенцев В. Н., Рыбин В. В., Границы зерен в металлах -М.: Металлургия, 1980. - С. 5-52.
- Косевич В. М., Иевлев В. М., Палатник . С., Федоренко А. И. Структура меж- кристаллитных и межфазных границ. - М.: Металлургия. 1980. - Гл. IV, V.
- Физика деформационного упрочнения монокристаллов. - Киев: Наукова Думка, 1972.
- Келли А., Гровз Г. Кристаллография и дефекты в кристаллах. - М.: Мир, 1974.
- Steeds J. V. Dislocation arrangement in copper single crystals as function of strain // S&Proc. Roy. Soc. -1966. - V. 292. - ¹ 1430. - P. 343.
- H. Mughrabi, T. Ungá Long-Range internal stresses in deformed single-phase materials: The composite model and its consequences. Dislocations in Solids, Ed. F.R.N. Nabarro, M. S. Duesbery, Elsever Science, V. 11, 2002, P. 343-411
- Nabarro F.R.K. Work hardening and dynamical recovery of fee metals in multiple glide // Acta met. - 1989. - V. 37. - № 6. - P. 1521-1546.
- Ю.Козлов Э. В., Конева . А. Физическая природа стадийности пластической деформации // Изв. вузов, Физика, 1990. - №2. - с. 89-104.
- Коротаев А. Д., Тюменцев А. Н., Суховаров В. Ф. Дисперсное упрочнение тугоплавких металлов. - Новосибирск: Наука, 1989.
- Трефилов В. И., Моисеев В. Ф. Дисперсные частицы в тугоплавких металлах. - Киев: Наукова Думка, 1978. - С. 39-59.
- Мартин Дж., Доэрти Р. Стабильность микроструктуры металлических систем. - М.: Атомиздат, 1978. - С. 280.
- М.Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. - М.: Логос, 2000. - С. 251.
- D. Kuhlman-Wilsdorf The LES theory of solid plasticity. Dislocations in Solids, Ed. F.R.N. Nabarro, M. S. Duesbery, Elsever Science, 2002, P. 213-335.
- A Ball, R.E Smallman The deformation properties and electron microscopy studies of the intermetallic compound NiAl. Acta Metallurgica, Volume 14, Issue 10, 1966, Pages 1349-1355.
- R.T. Pascoe, C.M.A. Newey Deformation models of intermediate phase NiAl. Phis. Stat. Sol., V. 29, 1968, P. 357-366.
- V. Paider Mechanical properties of iron – and nickel-base aluminides. Mater. Sci. Engers, V. A 234-236, 1997, P. 15-21.