Микромеханика деформируемого твердого тела

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

  1. В чем физическое различие в появлении геометрически-необходимых и статически запасенных дислокаций?
  2. Как связана решетка с плотностью геометрически-необходимых дислокаций?
  3. Как связан поворот мезообъемов с плотностью геометрически необходимых дислокаций?
  4. Почему механические свойства могут зависеть от размера тела?
  5. В чем состоит физическая причина появления обратимого пластического течения при скольжении в композиционных материалах с недеформируемыми частицами?
  6. Что такое совместность пластической деформации на примере поликристалла?
  7. В чем состоит различие сверхструктурных двойников от псевдодвойников на примере В2 сверхрешетки?
  8. Почему при охлаждении В2 монокристаллов никелида титана происходит деформация решетки, а деформации формы не наблюдается?
  9. Почему при множественном двойниковании в ГЦК кристаллах наблюдается высокий коэффициент деформационного упрочнения?
  10. В чем различие в движущих силах  обратимого пластического течения при упругом двойниковании и при термоупругих мартенситных превращениях?
  11. Сформулируйте условия для наблюдения сверхэластичности в кристаллах, испытывающих термоупругие мартенситные превращения?
  12. В чем состоит роль пластического течения при разрушении твердых тел?
  13. Почему одни твердые тела разрушаются хрупко, а другие вязко?
  14. Может ли один и тот же кристалл разрушаться хрупко и вязко?
  15. Как  используя механические испытания кристаллов определить внутренние напряжения при пластической деформации?
  16. В чем состоит отличие магнитной памяти формы от обычной памяти формы?
  17. Чем обычная сверхэластичность отличается от магнитоэластичности?
  18. Сформулируйте условия для обратимых термоупругих превращений в ферромагнитных сплавах при одновременном воздействии внешних напряжений и магнитного поля.
     

Приблизительные вопросы для экзамена

  1. Микро, мезо, и макро уровни деформации. Геометрически необходимые дислокации.
  2. Размерный эффект в пластичности. Наноматериалы. Микрообразцы.
  3. Деформационное упрочнение пластически неоднородных материалов.
  4. Метод Эшелби расчета напряжений в материалах, содержащих недеформируемые частицы. Обратные напряжения.
  5. Кристаллография механического двойникования на примере ГЦК материалов.  Типы двойников.
  6. Дислокационные модели зарождения и роста механических двойников.
  7. Особенности механического двойникования в сверхструктурах.
  8. Взаимодействие двойникования и скольжения на примере ГЦК кристаллов.
  9. Взаимодействие двойникования с двойникованием на примере ГЦК кристаллов. Двойной тетраэдр Томпсона.
  10. Деформационное упрочнение при механическом двойниковании.
  11. Упругое двойникование и обратимая пластичность.
  12. Определение мартенситных превращений. Термоупругий и нетермоупругий мартенсит.
  13. Кристаллография мартенситного превращения на примере ГЦК-ОЦК перехода. Деформация решетки. Деформация с инвариантной решеткой. Деформация формы.
  14. Эффект памяти формы. Явление самоаккамодации групп мартенситных кристаллов.
  15. Вывод уравнения Клапейрона-Клаузиуса для мартенситных превращений. Термодинамика мартенситных переходов.
  16. Сверхупругость, обусловленная обратимыми мартенситными превращениями под нагрузкой.
  17. Термоупругие мартенситные превращения в поли- и монокристаллах никелида титана.
  18. Влияние дисперсных частиц на развитие термоупругих мартенситных превращений на примере никелида титана.
  19. Влияние магнитных полей на развитие мартенситных переходов в ферромагнитных сплавах.
  20. Термодинамика мартенситных превращений в магнитных полях.
  21. Магнитный эффект памяти формы. Магнитоэластичность. Магнитопластичность.
  22. Обратимые термоупругие превращения при совместном приложении внешних напряжений и магнитного поля.
  23. Классификация разрушения по энергетическому, деформационному и фрактографическому критериям.
  24. Вязкое и хрупкое разрушение. Трещина Гриффитса. Трещина Орована.
     

Основная литература

  1. Введение в микромеханику, под ред. М. Онами. М., Металлургия, 1987, с. 10-28; 54-72.
  2. Дж. Эшелби. Континуальная теория дислокаций. Из-во иностр. Литературы, М., 1963, с. 11-49.
  3. В.А. Лихачев, А.Е. Волков, В. Е. Шудегов. Континуальная теория дефектов. Из-во ЛГУ, Ленинград, 1986, с. 7-54
  4. В.И. Владимиров. Физическая природа разрушения металлов. М., Металлургия, 1984, с. 8-22; 118-210. 5.с
  5. А. Келли, Г. Гровс. Кристаллография и дефекты в кристаллах. М., Мир, 1974, с. 337-362.
  6. М.В. Классен-Неклюдова. Механическое двойникование. Из-во АН СССР, М., 1960, с. 12-19; 69-93; 163-195.
     

Дополнительная литература

  1. В.Е. Панин, Ю.И. Гриняев, В.И. Данилов и др. Структурные уровни деформации и разрушения. Новосибирск, Наука, 1990, с. 20-53.
  2. В.Е. Панин. Современны проблемы пластичности и прочности твердых тел. Изв. Вузов, Физика, 1998, т.41, с. 7-34.
  3. А.М. Косевич. Дислокации в теории упругости. М., 1978, 256 с.
  4. Р. Вит. Континуальная теория дислокаций. М. 1977, 208 с.
  5. В.Е. Панин, В.А. Лихачев, Ю.В. Гриняев. Структурные уровни деформации твердых тел. Новосибирск, Наука, 1985, с. 7-35.

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).