Целями освоения дисциплины «Микромеханика деформируемого твердого тела» являются формирование у студентов представления о современных основах микромеханики деформируемого твердого тела, включающих общие представления о деформации композиционных материалов, деформацию двойникованием, термоупругие мартенситные превращения и основы разрушения твердых тел.
Изучение дисциплины предполагает выполнение следующих задач:
- Микромеханика деформации двухфазных сплавов;
- Теоретическое описание механического двойникования в ГЦК кристаллах, В2, 12 интерметаллидах;
- Теоретическое описание термоупругих мартенситных превращений;
- Теоретическое описание разрушения твердых тел.
Дисциплина «Микромеханика деформируемого твердого тела» относится к обязательным дисциплинам магистерской программы «Физика конденсированного состояния». Содержательно она знакомит слушателей с современными подходами к механизмам пластической деформации – скольжение, двойникование и мартенситные превращения, их влиянием на деформационное упрочнение и разрушение, формирует знания, умения и навыки, необходимые для последующего овладения материалом курсов «Теория пластичности», «Неравновесная термодинамика», «Методы растровой аналитической электронной микроскопии»
Содержание дисциплины
1. Микромеханика деформации двухфазных сплавов
Введение. Место микромеханики в современной науке о прочности и пластичности. Структурные (масштабные) уровни деформации. Микро, мезо- и макроуровни пластической деформации. Геометрически-необходимые и статически запасенные дислокации. Градиенты пластической деформации и плотность геометрически-необходимых дислокаций. Кривизна решетки, повороты мезообъектов. Тензор плотности дислокаций. Деформационное упрочнение пластически неоднородных материалов. Равновесные, стержнеобразные и пластинчатые частицы и связанные с ними микроструктуры из геометрически-необходимых дислокаций. Стабильность деформационного упрочнения, эффект Баушингера и его возврат. Метод Эшелби расчета напряжений в материалах, содержащих пластически недеформируемые частицы. Деформация несоответствия. Обратные напряжения и сверхэластичность.
2. Механическое двойникование в металлах и интерметаллидах
Кристаллография механического двойникования в ГЦК и ОЦК монокристаллах. Типы двойников, двойники первого и второго рода, композиционные (составные) двойники. Дислокационные модели зарождения и роста двойников. Двойники в сверхструктурах L12, Д1а, ДО22, В2. Сложное двойникование, включающее перетасовки в В2 решетке. Сверхструктурные двойники, псевдодвойники. Взаимодействие двойникования и скольжения. Взаимодействие двойникования с двойникованием. Дислокационные реакции на когерентной границе двойников. Условие передачи деформации скольжением и двойникованием через границу двойника. Деформационное упрочнение при деформационном двойниковании. Упругое двойникование и эффекты сверхупругости.
3. Термоупругие мартенситные превращения
Мартенситное превращение. Габитус мартенсита. Термоупругое равновесие фаз в твердом теле. Мартенситные превращения и изменение формы. Деформация решетки, деформация с инвариантной решеткой. Механизмы эффекта памяти формы. Самоаккамодация групп мартенситных кристаллов. Одноразовый, двойной и круговой эффекты памяти формы. Влияние напряжений на термоупругие мартенситные превращения. Уравнение Клапейрона – Клаузиуса для термоупругих мартенситных превращений. Сверхупругость, обусловленная мартенситными превращениями. Влияние магнитных полей на фазовые превращения в монокристаллах ферромагнитных сплавов. Магнитный эффект памяти формы, магнитоэлластичность, магнитопластичность. Механические свойства материалов, испытывающих мартенситные превращения на примере никелида титана.
4. Разрушение металлов и композиционных материалов
Классификация разрушения по энеретическому, деформационному и фрактографичскому критериям. Вязкое и хрупкое разрушение. Трещины Гриффитса.Силовой и энергетический критерии разрушения. Трещина Орована и роль пластической деформации в разрушении. Микро и макротрещины, механизмы зарождения и роста трещины. Критерии механики разрушения. Разрушение композиционных материалов.
Контрольные вопросы
- В чем физическое различие в появлении геометрически-необходимых и статически запасенных дислокаций?
- Как связана решетка с плотностью геометрически-необходимых дислокаций?
- Как связан поворот мезообъемов с плотностью геометрически необходимых дислокаций?
- Почему механические свойства могут зависеть от размера тела?
- В чем состоит физическая причина появления обратимого пластического течения при скольжении в композиционных материалах с недеформируемыми частицами?
- Что такое совместность пластической деформации на примере поликристалла?
- В чем состоит различие сверхструктурных двойников от псевдодвойников на примере В2 сверхрешетки?
- Почему при охлаждении В2 монокристаллов никелида титана происходит деформация решетки, а деформации формы не наблюдается?
- Почему при множественном двойниковании в ГЦК кристаллах наблюдается высокий коэффициент деформационного упрочнения?
- В чем различие в движущих силах обратимого пластического течения при упругом двойниковании и при термоупругих мартенситных превращениях?
- Сформулируйте условия для наблюдения сверхэластичности в кристаллах, испытывающих термоупругие мартенситные превращения?
- В чем состоит роль пластического течения при разрушении твердых тел?
- Почему одни твердые тела разрушаются хрупко, а другие вязко?
- Может ли один и тот же кристалл разрушаться хрупко и вязко?
- Как используя механические испытания кристаллов определить внутренние напряжения при пластической деформации?
- В чем состоит отличие магнитной памяти формы от обычной памяти формы?
- Чем обычная сверхэластичность отличается от магнитоэластичности?
- Сформулируйте условия для обратимых термоупругих превращений в ферромагнитных сплавах при одновременном воздействии внешних напряжений и магнитного поля.
Приблизительные вопросы для экзамена
- Микро, мезо, и макро уровни деформации. Геометрически необходимые дислокации.
- Размерный эффект в пластичности. Наноматериалы. Микрообразцы.
- Деформационное упрочнение пластически неоднородных материалов.
- Метод Эшелби расчета напряжений в материалах, содержащих недеформируемые частицы. Обратные напряжения.
- Кристаллография механического двойникования на примере ГЦК материалов. Типы двойников.
- Дислокационные модели зарождения и роста механических двойников.
- Особенности механического двойникования в сверхструктурах.
- Взаимодействие двойникования и скольжения на примере ГЦК кристаллов.
- Взаимодействие двойникования с двойникованием на примере ГЦК кристаллов. Двойной тетраэдр Томпсона.
- Деформационное упрочнение при механическом двойниковании.
- Упругое двойникование и обратимая пластичность.
- Определение мартенситных превращений. Термоупругий и нетермоупругий мартенсит.
- Кристаллография мартенситного превращения на примере ГЦК-ОЦК перехода. Деформация решетки. Деформация с инвариантной решеткой. Деформация формы.
- Эффект памяти формы. Явление самоаккамодации групп мартенситных кристаллов.
- Вывод уравнения Клапейрона-Клаузиуса для мартенситных превращений. Термодинамика мартенситных переходов.
- Сверхупругость, обусловленная обратимыми мартенситными превращениями под нагрузкой.
- Термоупругие мартенситные превращения в поли- и монокристаллах никелида титана.
- Влияние дисперсных частиц на развитие термоупругих мартенситных превращений на примере никелида титана.
- Влияние магнитных полей на развитие мартенситных переходов в ферромагнитных сплавах.
- Термодинамика мартенситных превращений в магнитных полях.
- Магнитный эффект памяти формы. Магнитоэластичность. Магнитопластичность.
- Обратимые термоупругие превращения при совместном приложении внешних напряжений и магнитного поля.
- Классификация разрушения по энергетическому, деформационному и фрактографическому критериям.
- Вязкое и хрупкое разрушение. Трещина Гриффитса. Трещина Орована.
Основная литература
- Введение в микромеханику, под ред. М. Онами. М., Металлургия, 1987, с. 10-28; 54-72.
- Дж. Эшелби. Континуальная теория дислокаций. Из-во иностр. Литературы, М., 1963, с. 11-49.
- В.А. Лихачев, А.Е. Волков, В. Е. Шудегов. Континуальная теория дефектов. Из-во ЛГУ, Ленинград, 1986, с. 7-54
- В.И. Владимиров. Физическая природа разрушения металлов. М., Металлургия, 1984, с. 8-22; 118-210. 5.с
- А. Келли, Г. Гровс. Кристаллография и дефекты в кристаллах. М., Мир, 1974, с. 337-362.
- М.В. Классен-Неклюдова. Механическое двойникование. Из-во АН СССР, М., 1960, с. 12-19; 69-93; 163-195.
Дополнительная литература
- В.Е. Панин, Ю.И. Гриняев, В.И. Данилов и др. Структурные уровни деформации и разрушения. Новосибирск, Наука, 1990, с. 20-53.
- В.Е. Панин. Современны проблемы пластичности и прочности твердых тел. Изв. Вузов, Физика, 1998, т.41, с. 7-34.
- А.М. Косевич. Дислокации в теории упругости. М., 1978, 256 с.
- Р. Вит. Континуальная теория дислокаций. М. 1977, 208 с.
- В.Е. Панин, В.А. Лихачев, Ю.В. Гриняев. Структурные уровни деформации твердых тел. Новосибирск, Наука, 1985, с. 7-35.