Физика пластичности и прочности кристаллических материалов

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

  1. Важнейшие закономерности течения и особенности субструктуры кристаллов на I стадии скольжения.
  2. Какие процессы определяют переход от I  к  II  стадии скольжения?
  3. Условия возможности использования модели пробной дислокации при анализе закономерностей упрочнения кристаллов.
  4. Как и почему  энергия дефектов упаковки влияет на развитие  III стадии скольжения?
  5. Почему не наблюдаются дисклинации в исходных монокристаллах?
  6. Какие особенности структуры винтовых дислокаций в О.Ц.К. кристаллах ограничивают их подвижность?
  7. Почему наблюдается термически активируемый отрыв  дислокаций от сегрегаций Коттрелла?
  8. Как образуются трубки антифазных доменов при движении сверхдислокаций?
  9. Чем может быть обусловлено формирование геометрически необходимых дислокаций в ячеистых дислокационных структурах?
  10. Почему в кристаллах не наблюдаются полные дисклинации?
  11. Какие характеристики гетерофазной структуры сплавов и частиц вторичных фаз определяют дисперсное упрочнение?
  12. Какие особенности движения дислокаций обуславливают аномальную зависимость механических свойств от температуры в интерметаллидах?
  13. Приведите схему последовательного огибания частиц в гетерофазных сплавах механизмом поперечного скольжения?
  14. Какие экспериментальные данные свидетельствуют о том, что в металлах и сплавах с Г.Ц.К. механизм Пайерлса  не влияет на предел текучести?
  15. Какие особенности скольжения наблюдаются на I и II стадиях упрочнения металлов с Г.Ц.К. решеткой.

Приблизительные вопросы для экзамена

  1. Расчет энергии активации движения двойного перегиба на дислокации в модели Дорна в потенциале Пайерлса при ts¹0.
  2. Сегрегации Сузуки. Расчет сегрегации в модели регулярного твердого раствора.
  3. Расчет упрочнения в механизме упругого  взаимодействия дислокаций с частицами вторичных фаз (модель Герольда-Хаберкорна).
  4. Энергия упругого взаимодействия атома примеси с краевой дислокацией.
  5. Переход к III стадии скольжения в монокристаллах. Расчет напряжения перехода к III стадии при поперечном скольжении.
  6. Модель Эшби образования призматических  петель дислокаций на недеформируемой частице («выдавливание» призматических петель).
  7. Условия насыщения сегрегации Коттрелла на дислокации. Эффект закрепления дислокаций этими сегрегациями.
  8. Расчет зависимости энергии антифазной границе сдвига в L12 сверхструктуре по Марсинковскому.
  9. Модель дисперсного упрочнения Эшби. Расчет зависимости напряжения течения по Эшби.
  10. Огибание включений в гетерофазных сплавах по механизму Орована. Критическое напряжение огибания. Кольца Орована.
  11. Пересечение скользящей дислокацией и «леса» дислокаций. Расчет напряженияпересечения.
  12. Экспериментальные методы определения энергии и объема активации движения дислокаций.
  13. Закономерности пластического течения и дислокационная субструктура на II стадии скольжения. Модель композита (Muhg rabi) на этой стадии.
  14. Подобие дислокационных структур на различных стадиях скольжения. Модель Кульман-Вильсдорф упрочнения на стадиях II, III  стадиях деформации  монокристаллов.

Основная литература:

  1. Хирт Дж., Лоте И. Теория дислокаций. - М.: Атомиздат, 1972. - Гл. 9, 15, 19, 20,21,22.
  2. Набарро Ф. Р. Н., Базинский 3. С., Холт Д. Б. Пластичность чистых монокристаллов. - М.: Металлургия, 1967. - Гл. , , IV.
  3. Бернер Р., Кронмюллер Т. Пластическая деформация монокристаллов. - М.: Металлургия, 1969. - С. 272.
  4. 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.
  5. Клэрборо Л. М., Харгривс М. Е. Упрочнение металлов. // Успехи физики металлов. Т. 5. - М.: Металлургия, 1976. - С. 7-126.
  6. 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.
  7. Малыгин Г. А. Процессы самоорганизации дислокаций и пластичность кристаллов. УФН, 1999. - Т. 169 - № 9. - С. 979-1010.
  8. Хирш П. Распределение дислокаций и механизмы упрочнения в металлах. //Структура и механические свойства в металлах. - М.: Металлургия, 1967. - С.42-75.
  9. Рыбин В. В. Большие пластические деформации и разрушение металлов. - М.: Металлургия, 1986. - С. 9-61.
  10. Владимиров В. И., Романов А. Е. Дисклинации в кристаллах. - Л.: Наука, 1 986. - С. 13-36, 51-72, 83-95.
  11. 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. .
  12. Физика прочности и пластичности / Пер. с англ. Под ред. Гордиенко Л. К. -М.: Металлургия, 1972. - С. 88-107, 158-185.
  13. Мартин Дж. Микромеханизмы дисперсного твердения. - М.: Металлурги я. Физическая мезомеханика, 1998. - Т. . № I. - С. 3-35.
  14. Гринберг Б.А., Иванов М.А. Интерметаллиды 3и : Микроструктура, деформационное поведение. - Екатеринбург: УРО РАН, 2002. - С. 350.

Дополнительная литература:

  1. Материалы Всесоюзного совещания по дефектам структуры в полупроводниках., ч. , II. - Новосибирск: Изд. АН СССР.
  2. Мильман Ю. В., Трефилов В. И., Фирстов С. А. Физические основы прочности тугоплавких металлов. - Киев: Наукова Думка, 1975. - С. 316
  3. Орлов А. Н., Перевезенцев В. Н., Рыбин В. В., Границы зерен в металлах -М.: Металлургия, 1980. - С. 5-52.
  4. Косевич В. М., Иевлев В. М., Палатник . С., Федоренко А. И. Структура меж- кристаллитных и межфазных границ. - М.: Металлургия. 1980. - Гл. IV, V.
  5. Физика деформационного упрочнения монокристаллов. - Киев: Наукова Думка, 1972.
  6. Келли А., Гровз Г. Кристаллография и дефекты в кристаллах. - М.: Мир, 1974.
  7. Steeds J. V. Dislocation arrangement in copper single crystals as function of strain // S&Proc. Roy. Soc. -1966. - V. 292. - ¹ 1430. - P. 343.
  8. 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
  9. Nabarro F.R.K. Work hardening and dynamical recovery of fee metals in multiple glide // Acta met. - 1989. - V. 37. - № 6. - P. 1521-1546.
  10. Ю.Козлов Э. В., Конева . А. Физическая природа стадийности пластической деформации // Изв. вузов, Физика, 1990. - №2. - с. 89-104.
  11. Коротаев А. Д., Тюменцев А. Н., Суховаров В. Ф. Дисперсное упрочнение тугоплавких металлов. - Новосибирск: Наука, 1989.
  12. Трефилов В. И., Моисеев В. Ф. Дисперсные частицы в тугоплавких металлах. - Киев: Наукова Думка, 1978. - С. 39-59.
  13. Мартин Дж., Доэрти Р. Стабильность микроструктуры металлических систем. - М.: Атомиздат, 1978. - С. 280.
  14. М.Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. - М.: Логос, 2000. - С. 251.
  15. 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.
  16. 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.
  17. R.T. Pascoe, C.M.A. Newey Deformation models of intermediate phase NiAl. Phis. Stat. Sol., V. 29, 1968, P. 357-366.
  18. V. Paider Mechanical properties of iron – and nickel-base aluminides. Mater. Sci. Engers, V. A 234-236, 1997, P. 15-21.

Сайт в настоящее время находится в процессе разработки. Принимаются предложения по улучшению и наполнению сайта. Ваши отзывы и предложения высылать администратору сайта Смирнову Ивану Владимировичу (smirnov_iv@bk.ru).