close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

bd000102065

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Плотников Федор Алексеевич
САМООРГАНИЗАЦИЯ ДИСЛОКАЦИИ В
УЛЬТРАЗВУКОВОМ ПОЛЕ
Специальность 01.04.07 физика конденсированного состояния
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Москва-2005
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего
профессионального образования «Московский государственный технический
университет имени Н.Э. Баумана»
Научный руководитель:
кандидат физико-математических наук,
доцент
Дегтярев Вячеслав Тихонович
Официальные оппоненты: - доктор технических наук,
профессор
Стрельченко Станислав Сергеевич
- кандидат физико-математических наук, старший
научный сотрудник
Зиненкова Галина Михайловна
Ведущая организация:
- ОАО «Научно-исследовательский институт
материалов электронной техники»
Защита состоится 30 ноября 2005г. в / ^ час. ^О мин. на заседании
диссертационного совета Д 212.141.17 при государственном образовательном
учреждении
высшего
профессионального
образования
«Московский
государственный технический университет им. Н.Э. Баумана» по адресу: г.
Калуга, ул. Баженова, д.4, К Ф М Г Т У им. Н.Э. Баумана.
С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Г О У В П О М Г Т У им. Н.Э.
Баумана, Калужский филиал
т
Автореферат разослан «а? У » a^Td?<3^ <,< 2005г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
K.T.H., доцент
Лоскутов С.А.
г/792
11 ISf//
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы работы. Тема работы относится к одной из фун­
даментальных проблем современной физики взаимодействия полей с эле­
ментарными возбуждениями и структурными дефектами. Свойства реальных
кристаллов зависят не только от плотности структурных дефектов в них, но и
от взаимодействия структурных дефектов друг с другом. Поля различной
природы оказывают влияние на расположение структурных дефектов в кри­
сталле и на их взаимодействие, что приводит к изменениям свойств материа­
лов. В настоящее время взаимодействие структурных дефектов и полей ин­
тенсивно исследуются. Эти исследования привели к открытию ряда эффек­
тов: фотопластического, электропластического, магнитопластического.
Влияние на пластичность кристаллов оказывают так же и ультразвуковые
колебания. В современных технологиях широко используется ультразвук при
обработке материалов с целью придания им нужных свойств, например, в
металле вьиывают высокочастотные колебания в процессе изготовления
проволоки по способу волоченья. В процессе эксплуатации материалы и
приборы, в которых используются твердотельные элементы, могут подвер­
гаться высокочастотной вибрации (например, при выводе космических объ­
ектов на орбиту), что может приводить к их деградации. Поэтому выяснение
механизмов, вызывающих изменение свойств кристаллов под влиянием
ультразвукового поля, остается фундаментальной задачей физики конденси­
рованных сред и в тоже время имеет большое прикладное значение.
Для исследования структурных дефектов, формирующихся под дейст­
вием ультразвука, и процессов происходящих в кристалле твердого тела
применяются как прямые, так и косвенные методы. Прямые методы исследо­
вания дефектов позволяют установить, какие изменения произошли в каждой
подсистеме структурных дефектов в отдельности путем сравнения данных о
начальном и конечном состояниях образцов, но выявить особенности пове­
дения дефектов в процессе действия ультразвука не удается. Косвенные ме­
тоду позволяют наблюдать за изменениями энергии системы, но не позволя­
ют наблюдать особенности движения дислокаций. Наиболее эффективньш
способом исследования взаимодействия полей и дефектов кристаллической
структуры является метод компьютерного моделирования, который уже про­
демонстрировал свою мощь и адекватность на хорошо изученных системах.
Данный метод так же позволяет выяснить роль отдельных факторов приво­
дящих к изменению макроскопических свойств материалов и микромеха­
низмы, обуславливающие эти изменения. Поэтому разработка моделей, алго­
ритмов и программ для осуществления моделирования дислокационных
процессов также является актуальной задачей для современной физики твер­
дого тела и важна для прикладных задач.
--"С НАЦИОНАЛЬНАЯ"!
БИБЛИОТЕКА
i
•' i^^Tva ■'
Целью настоящей работы являлось:
- определить методом математического моделирования с использованием
цифровых Э В М основные закономерности распределения дислокаций в
ультразвуковом поле в процессе самоорганизации дислокаций;
- рассмотрение поведения динамических дислокационных структур в ульт­
развуковом поле.
Для достижения этих целей предстояло решить следующие задачи:
1. Разработать физическую модель и методику моделирования меха­
низмов и процессов, обуславливающих явление самоорганизации, используя
динамический подход, основывающийся на решении уравнения движения, с
учетом поля сил взаимодействия дислокаций и ультразвукового поля.
2. Произвести моделирование процессов движения и взаимодействия
дислокаций в кристалле при наличии ультразвукового поля.
3. На основании анализа результатов моделирования выявить харак­
терные структуры дислокационных комплексов и ансамблей, формирую­
щихся в ультразвуковом поле в процессе самоорганизации.
4. Установить закономерности распределения дислокаций по упоря­
доченным ансамблям, при различных параметрах ультразвукового поля,
формирующихся в процессе самоорганизации.
Н а у ч н а я новизна диссертационной работы состоит в том, что впер­
вые проведено компьютерное моделирование явления самоорганизации дис­
локационных ансамблей в присутствии ультразвукового поля. Определены
характерные структуры дислокационных комплексов и ансамблей, форми­
рующихся в ультразвуковом поле, исследованы характерные времена их об­
разования и их устойчивость. Установлены закономерности распределения
дислокаций по упорядоченным ансамблям при различных параметрах ульт­
развука.
Практическая ценность работы состоит в том, что полученные в ней
результаты позволяют предвидеть изменение пластических свойств материа­
лов, подвергающихся высокочастотной вибрации в процессе их эксплуата­
ции, для оценки срока службы, возможности деградации. А также в связи с
тем, что в современных технологиях обработки материалов все более широ­
кое применение находит ультразвук, причем как в процессе обработки, на­
пример, чтобы достичь высокой пластичности материала непосредственно
во время технологического воздействия, так и для придания материалам на­
перед заданных свойств.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Разработанные модель, алгоритм и пакет профамм, позволяющие
детально исследовать процесс самоорганизации дислокаций в ультразвуко­
вом поле.
2. Данные о структурах дислокационных комплексов и упорядочен­
ных дислокационных ансамблей, формирующихся в ультразвуковом поле.
3. Данные о влиянии частоты и амплитуды ультразвука на процесс
самоорганизации дислокационных ансамблей.
4. Упорядоченные дислокационные ансамбли, образовавшиеся в ульт­
развуковом поле заданной амплитуды, обладают достаточной устойчиво­
стью, и при дальнейшем повышении амплитуды ультразвука не разрушают­
ся.
Апробация работы и публикации. Результаты диссертационной ра­
боты докладывались на 6 Всероссийских и международных научных конфе­
ренциях и научно-практических семинарах, в т.ч. на X Международной кон­
ференции «Imperfection interaction and anelasticity phenomena in solids (IIAPS
- 10)» (Тула, 2001); Всероссийской конференции посвященной 100-летию со
дня рождения академика Г.В. Курдюмова «Дефекты структуры и прочность
кристаллов» (Черноголовка, 2002); Всероссийской конференции «Структур­
ные основы модификации материалов методами нетрадиционных техноло­
гий (МНТ-7)» (Обнинск, 2003). На конференции МНТ-7 доклад на тему «Ди­
намические дислокационные структуры в ультразвуковом поле» был признан
лучшим в секции «Молодых ученых».
Материалы диссертации опубликованы 4 статьях в ведущих физиче­
ских журналах и 3 тезисах в трудах конференций.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, за­
ключения и выводов и содержит 108 машинописных листов, 45 рисунков,
список цитируемой литературы из 78 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ Р А Б О Т Ы
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, ее прак­
тическая значимость, определяются цели исследования, приводятся основ­
ные положения, выносимые на защиту, изложена структура диссертации
Первая глава посвящена обзору литературы и анализу современного
состояния вопроса о механизмах и закономерностях поведения дислокаций в
ультразвуковом поле, на основании которых сформулирована задача данной
работы - исследование самоорганизации дислокаций в ультразвуковом поле.
Известно, что под действием ультразвука происходит перестройка сис­
темы дислокаций с образованием стабильных дислокационных конфигура­
ций диполей, мультиполей и полигональных стенок. Этот процесс можно
рассматривать как самоорганизацию дислокационных ансамблей, в результа­
те которого в ультразвуковом поле формируются полигональные дислокаци­
онные структуры, так что действие ультразвука при определенных условиях
может оказаться аналогичным отжигу, стимулировать полигонизацию. Полигонизация под действием ультразвука обнаруживается как прямыми мето3
дами исследований дислокаций, так и косвенными, например, по нестацио­
нарному внутреннему трению. Поскольку воздействие ультразвука не на­
правлено на создание упорядоченного распределения дислокаций, полигонизацию под действием ультразвука можно отнести к процессам самоорганиза­
ции.
Натурные эксперименты, в которых изменения дислокационной струк­
туры исследуются методом повторного избирательного травления, позволя­
ют зафиксировать лишь начальные и конечные состояния дислокационного
ансамбля, но не дают сведений о том, как протекает процесс перераспреде­
ления дислокаций в ультразвуковом поле. Пока наиболее достоверным и
единственно возможным для исследования процессов происходящих в объе­
ме образца за времена, сравнимые с периодом ультразвуковых колебаний
10"'с., является метод компьютерного моделирования дислокационных про­
цессов, который и бьш использован в данной работе.
Глава вторая содержит подробное описание модели, алгоритма и мето­
дики моделирования процесса самоорганизации системы дислокаций в при­
сутствии ультразвукового поля. В отличие от опубликованных в литературе
методов, в основу предаюженной в работе методики моделирования положен
динамический подход; поведение дислокаций описывается с использованием
уравнения
вязкого
Z
движения дислокаций.
В модели принима­
А dl [001J
ли, что прямолинейные и
бесконечные
дислока­
ции, параллельные оси
OZ, (вектор Бюргерса
[ п о ] ) двигаются консер­
вативно по плоскости
легкого
скольжения
(110) (рис.1). Переме­
locKOCTb легкого
щение
дислокаций
в
скольжен>)я
(110)
плоскостях поперечного
скольжения, запрещено.
Уравнение
движение
Рис. 1. Схематическое изображение
дислокации брани в виде
рассматриваемой модели
dx
B- = F,{t)+ F,ir)-F,^ ■ sign{Fiit)+F,{r)),
(1)
at
где В - коэффициент динамического 1рения, '^V, - скорость дислокации. В
уравнение (1) отброшен инерционный член, т.к. по условиям задачи
4
м^
lit
— ^ — « 1, Уравнение движения написано в координатах связанных с лиdt
нией дислокации. Уравнение (1) имеет смысл, если сумма действующих сил
превосходит силу типа сухого трения, т.е. \Fcm\ < \F,(t) + F,(r)\
Силы в (1) вычислялись с помощью формулы Пича - Келера
Fi=eijkb„a„jdlk,
(2)
в которой F, - i-я компонента силы, действующая на элемент длины дисло­
кации, Ь„ и dik - компоненты векторов Ь к dl , а a„j и e,jt - компоненты тензара напряжения и Леви-Чевита, соответственно.
В уравнении (1) F,(t) - компонента действующая на дислокацию одно­
родной по пространству и изменяющейся во времени по гармоническому за­
кону силы, обусловленной внещним воздействием.
F,(t) = bmcfsin(27tft) ,
(3)
где й-модуль вектора Бюргерса, т -фактор Шмида, о" - амплитуда внешней
знакопеременной нагрузки,/- частота ультразвука.
F,(r) - неоднородная по пространству сила, обусловленная полем внут­
ренних напряжений, создаваемым ансамблем дислокаций. Действующая на
/-ую дислокацию силу принимаем равной сумме сил парного взаимодействия
дислокации в ансамбле:
РАГ)=ЪРШ{Ч^УП\
ri*i
(4)
п=\
где F,„ (Хп,Уп) - компонента силы действующая на / -ю дислокация со сторо­
ны п-ой, имеющая в рассматриваемый момент времени координаты (х„,уп) в
системе координат связанной с i-ой дислокации. С помощью (2) и (4) нахо­
дим, что
/г - Gc^b^
х„-{хп^ -у„^)
^"-2...(l-v)- (.„2.,„Ъ^ •
^^
где V - коэффициент Пуасона; G - модуль сдвига. Отметим, что ?,„ входит в
уравнение (1) со знаком плюс, если дислокации разного знака и со знаком
минус, если одного знака.
FcT - сила типа сухого трения, которая выражается как произведение
вектора Бюргерса дислокации b на стартовое напряжение Ост в плоскости
скольжения.
Fcm =6 (Ta^ign(F.(t) + F.(r))
(6)
Моделирование эволюции дислокационного ансамбля в ультразвуко­
вом поле проводилось применительно к кристаллам NaCl для килогерцового
диапазона частот. Константы, характеризующие исследуемый материал и
параметры ультразвукового воздействия, приведены в тексте диссертацион­
ной работы.
В соответствии с предложенной выше моделью для изучения процесса
самоорганизации дислокаций в ультразвуковом поле был разработан ком­
плекс программ, базирующийся на уравнении движения ( I ) , Э В М эксперименты проводились по следующему алгоритму:
1. Производится расстановка дислокаций на модельной шющадке по
закону случайных чисел.
2. Поскольку ансамбль содержит дислокации разного знака, чтобы ис­
ключить возможность их аннигиляции, вводится дополнительное условие,
согласно которому дислокации разного знака не могут находиться друг от
друга на расстоянии меньше 2 мкм.
3. Проводится перегруппировка дислокаций ансамбля с учетом пара­
метра аннигиляции. Полученное распределение принимается за исходное.
Подчеркнем, что движение дислокации происходит под действием зна­
копеременной нагрузки, обусловленной наличием ультразвукового поля, в
постоянном во времени, но не однородном по пространству, упругом поле
взаимодействия дислокаций. В результате этого движение дислокации будет
описываться суперпозицией поступательного и колебательного движения.
4. Используя систему уравнений движения дислокаций ансамбля, на­
ходим смещение каждой дислокации ансамбля за время At и определяем их
координаты в момент времени t=to + At. Повторяем эту процедуру с шагом
по времени равным At до тех пор, пока не прекратится поступательное дви­
жение дислокаций и будет достигнуто стационарное состояние ансамбля
дислокаций, колеблющихся в ультразвуковом поле.
В третьей главе разработанные модель, алгоритмы и пакет программ
используются для описания поведения единичной дислокации и дислокаци­
онного диполя в ультразвуковом поле. Полученные в результате моделиро­
вания данные сравниваются с известными в литературе. Показано, что ре­
зультаты, полученные в процессе моделирования по оригинальным методи­
кам, согласуются с данными литературных источников. Это дает основание
утверждать, что предложенные методики моделирования пригодны для при­
менения при дальнейшем более глубоком исследовании процесса самоорга­
низации дислокаций в ультразвуковом поле, и полученные с ее помощью ре­
зультаты достоверны.
В результате детального исследования поведения дислокаций в широ­
ком интервале амплитуд при различных частотах ультразвука и для различ­
ных начальных расположений дислокаций подтверждены заключения, сде­
ланные в других литературных источниках, о возможности существования в
ультразвуковом поле различных состояний динамического диполя. Опреде-
лены условия стационарного состояния каждой из возможных конфигура­
ций диполя.
Стационарное
со­
стояние
динамического
диполя характеризуются
Плоскость легкого
углом (р* между плоско­
скольжения
стью скольжения дислока­
ций и плоскостью, содер­
жащей линии, относитель­
но которых дислокации
Центры
колебаний
диполя колеблются (рис.2).
дислокации
В отсутствии ультразвука,
Рис. 2. Стационарное состояние
когда дислокации непод­
динамического дислокационного диполя
вижны,
ц)" - это угол (р ме­
Устойчивая ТОЧКИ равновесия
Н»устоЙ^ш»ая точка рааноаасия
жду плоскостью скольже­
ния и габитусной плоско­
стью дислокаций диполя.
Известно , что условию
равновесия краевого дипо­
а)
в)
Рис. 3. Стационарные состояния покоящего­ ля соответствуют углы
^7=^:45° (положение устой­
ся дислокационного диполя
чивого
равновесия)
и
^)=±90° (положение неустойчивого равновесия) (рис. 3) при этом равновес­
ные значения <р не зависят от плеча диполя h (расстояния между плоскостями
скольжения дислокаций диполя).
В ультразвуковом поле, угол (р*, соответствующий стационарной кон­
фигурации диполя, становится зависящим от амплитуды ультразвука
(р*-(р*(сР), появляется и зависимость ^* от расстояния А между плоскостями
скольжения и/частоты ультразвука (рис. 4 и 5). Так, что в общем случае
(p*=q>*(a°,hj). Зависимость <р*-<р*(сР) для диполей с различными h и при по­
стоянной частоте представлена на рис. 4, где видно, что дислокации диполя
колеблются около положения устойчивого равновесия, характерного для по­
коящегося диполя (ф*=45°) лишь в сравнительно узком интервале амплитуд.
По мере увеличения амплитуды ультразвука структура диполя изменяется
сначала «эволюционно», угол ф* монотонно убывает, пока а" не достигнет
~о
некоторого критического значения '^ , зависящего от/и А. То есть в опреде­
ленных интервалах амплитуд ультразвука <р*-<р*((^) изменяется плавно, а
V
при достижении некоторой критической амплитуды ^ (hj) функция Ф*(а'')
претерпевает скачок. Практически
при о
=0
происходит перестройка
~-»-Ь - 20 мим
-■•- h = 30 мхм
-*- h в 40 мкм
^ t - h = 50 мкм
Рис. 4. Зависимость угла (р* от амплитуды ультразвука при различном зна­
чении h и постоянной частоте/= 100 кГц
95
90
J -
4-*»ISiiS=»—~»-»*«:,;|3
85
80
1
7Б
-^Г=60кГц
— f = 80 кГц
-.^^f- 100 кГц
F 'О
- вб
1
•во
(
56
50
I
Л6
2
3
'""""""'*******-*^'**^
О
0.1
0.3
0,4
О.в
0,7
0,9
1,0
1,2
1,3
1,5
1,6
1,8
1,9
2,1
2,2
2,4
а°,МПа
Рис, 5. Зависимость угла (р* от амплитуды ультразвука при различном зна­
чении частоты/и постоянном А = 40 мкм
конфигурации диполя. Значения критического напряжения ^ (h,J) возраста­
ет при увеличении расстояния между плоскостями скольжения дислокаций
диполя (рис. 4 ) , а так же с ростом частоты ультразвука (рис 5).
Неустойчивая в отсутствии ультразвука структура диполя (р - 90" ста­
новится устойчивой в определенном интервале амплитуд ультразвука. Так на
пример при h=20 мкм состояние, при котором ^*-+90° наблюдается, при а"
8
от 1,05МПа и выше Устойчивость динамического диполя с ф*=90'' обуслов­
лена тем, что при переходе от конфигурации диполя с ^♦=45° к конфигура­
ции с ^*=90'' энергия динамического диполя понижается. При сближении
движущихся в противофазе дислокаций разного знака перекрываются облас­
ти их упругих полей, в которых напряжения имеют разные знаки. В резуль­
тате этого происходит компенсация упругих напряжений и энергия системы
колеблющихся дислокаций понижается. Размер области, в пределах которой
перекрываются поля напряжений противоположных знаков, и время, в тече­
ние которого имеет место перекрытие этих полей, зависят как от начального
взаимного расположения дислокаций, так и от параметров ультразвука.
Этими обстоятельствами и объясняется вид графиков, представленных на
рис. 4 и 5.
При заданной амплитуде и частоте ультразвука для достижения ста­
ционарного значения ф*(ст'')=соп81 требуется определенное время т. Впервые
установлена зависимость характерного времени т от амплитуды ультразвука,
в течение которого происходит перестройка структуры дислокационного ди­
поля в ультразвуковом поле и проведена его оценка. Как показало модели­
рование, т превосходит период ультразвуковых колебаний Т в 10 - 100 раз.
Характерное время достижения стационарного состояния диполя г за­
висит о т / и h, как это видно из рис. 6 и 7. При заданной частоте ультразвука
т возрастает с увеличением h. При заданном h в зависимости от амплитуды
ультразвука т изменяется не монотонно. При достижении критического на­
пряжения перехода диполя в конфигурацию с ф*= 90" функция т(о°) перехо­
дит через максимум. Время т(5 ) может в два и более раза превосходить зна­
чения г, характерное для участков амплитуд, в пределах которых ф*(ст'') из-
Рис. 6 Зависимость времени тот амплитуды ультразвука при различном
значении h и постоянной частоте/= 100 кГц
меняется плавно.
Таким образом, в ультразвуковом поле с течением времени формиру­
ются динамические структуры дислокационных диполей, стационарные со­
стояния которых определяются не только силами взаимодействия дислока­
ций, но зависят и от амплитуды и от частоты ультразвука. При постоянных
о" и / в одном образце могут существовать диполи различной динамической
структуры.
01 аз а* не 0.7 оа i.o 1.2 19
I,E
i.e te ^.» 2,1 zi
2A
Рис. 7. Зависимость времени гот амплитуды ультразвука при различном
значении частоты/и постоянном Л = 40 мкм
Глава четвертая содержит данные о процессе самоорганизации систе­
мы дислокации в ультразвуковом поле. Приводятся результаты детального
анализа процесса формирования упорядоченных дислокационных структур
для различного распределения дислокаций в исходном неупорядоченном со­
стоянии ансамбля. Установлены закономерности влияния на финальные,
упорядоченные дислокационные структуры изменения параметров ультра­
звукового поля (амплитуды, частоты).
Примеры иллюстрирующие процесс самоорганизации дислокаций
можно видеть на рис. 8 и 9. Исходное распределение дислокаций в не упоря­
доченном состоянии дислокационного ансамбля с плотностью р = 710^, см'^
задано по закону случайных чисел (рис. 8). Конечную дислокационную
структуру, образовавшуюся в ультразвуковом поле после его выключения,
можно видеть на рис. 9.
Из сравнения рис. 8 и 9 четко видно, что в результате процесса самоор­
ганизации в присутствии ультразвукового поля, образовались упорядочен­
ные дислокационные ансамбли в виде дислокационных стенок. Поскольку в
задаче было запрещено не консервативное движение, расстояние между дис­
локациями в стенках не одинаковы и более того получившиеся дислокаци­
онные стенки имеют не плоскую структуру.
10
Рис. 8 Исходное распределение дислокаций в не упорядоченном
состоянии дислокационного ансамбля (Л^ = 200 шт.)
Рис. 9. Конечная дислокационная структура, образовавшееся в ультра­
звуковом поле (</=\,5 МПа;/= 120 кГц; / = 320 Т; /V=- 200 шт.)
И
Обращаем внимание, что дислокации в каждой стенке имеют одинаковый
знак, а дислокационные стенки разного знака чередуются.
Анализ приведенной выше ситуации показывает, что в упорядоченные
дислокационные структуры вошло 79% дислокаций. При анализе учитывали
структуры типа дислокационных стенок включая «затравки» стенок состоя­
щие из 3-х дислокаций.
Число дислокаций ансамбля, вошедших в дислокационные стенки, за­
висит от параметров ультразвука амплитуды, частоты и времени действия
ультразвука.
Зависимость доли (в процентном выражении) дислокаций вошедших в
упорядоченные дислокационные структуры от времени действия ультразву­
ка представлена на рис. 10. Кривая 1 рис. 10 описывает зависимость процента
Рис. 10. Зависимость процента дислокаций, вошедших в упорядочен­
ные структуры, от времени действия ультразвука (</ = 0,5 МПа;
/= 90 кГц; / = 150 Т; Л^= 200 шт.)
дислокаций вошедших в дислокационные стенки, содержащие от 3 до 5 дис­
локаций; кривая 2 соответствует зависимости процента дислокаций вошед­
ших в дислокационные стенки, содержащие от 6 до 9 дислокаций; кривая 3
показывает зависимость процента дислокаций вошедших в дислокационные
стенки, содержащие от 10 и более дислокаций; кривая 4 отвечает за суммар­
ное количество дислокаций вошедших в упорядоченные структуры, выра­
женное в процентах.
Как видно из рис. IО существует характерное время, в течение которо­
го достигается наибольший процент дислокаций, вошедших в упорядочен­
ные структуры, значение которого t = 50Т. Также видно из фафиков
12
(рис. 10), что в первые 40Т преимущественно формируются «короткие» дис­
локационные стенки, которые содержат в себе 3 - 5 дислокаций Подчерк­
нем, что с течением времени система не достигает стационарного состояние
по своей структуре; на протяжении всего времени действия ультразвукового
поля идет перераспределение дислокаций между различными упорядочен­
ными дислокационными ансамблями.
Зависимости общего процента дислокаций вошедших в упорядоченные
дислокационные структуры в зависимости от времени действия ультразвуко­
вого поля, при постоянной частоте и различных значениях амплитуды ульт­
развукового поля о ° представлены на рис. И . Из графиков рис. 11 хорошо
видно, что время достижения максимального процента дислокаций участ­
вующих в формирование упорядоченгюй дислокационной структуры при ма­
лых амплитудах соответствует t = 50Т, а при повышение амплитуды ультра­
звука время t становится меньше, вплоть до t - ЮТ при а" = 1,5МПа.
на
i^
^ „
70
'^^^^''^~^~Z--Z^'*i^
^^^^'■*^!S^^
--,—^^1
^3
4"^"""^
1^
2D
Рис. 11. Зависимость общего процента дислокаций, вошедших в упорядо­
ченные структуры, от времени действия ультразвука при постоянной часто­
те и различной амплитуде ( / = 90 кГц; t= 150 Т; Л^ = 200 шт.)
Таким образом, из графиков на рис. 11 следует, что значение наиболь­
шего процента дислокаций, участвующих в формировании упорядоченной
дислокационной структуры, от амплитуды практически не зависит и в сред­
нем имеет значение около 77%.
Влияние частоты ультразвуковых колебаний на значение общего наи­
большего процента дислокаций вошедших в упорядоченные ансамбли и вре­
мя достижения этого процента рассмотрим на примере рис. 12.
Как видно из графиков, представленных на рис. 12, среднее значение
общего процента вошедших дислокаций в упорядоченные структуры от час­
тоты действующего ультразвука практически не зависит от частоты, но зави-
13
сит время, в течение которого данный процент достигает своего наибольше­
го значения.
Время достижения наибольшего значения суммарного процента во­
шедших дислокаций в упорядоченные ансамбли при уменьшение частоты
ультразвука увеличивается в плоть до t = ЮОТ.
Рис. 12. Зависимость общего процента дислокаций, вошедших в упорядочен­
ные структуры, от времени действия ультразвука при постоянной амплитуде
и различной частоте (а" =1,5 МПа; / = 100 Т; iV= 200 шт.)
Заключение.
Методом компьютерного моделирования исследован процесс самоор­
ганизации дислокаций в ультразвуковом поле на примере щелочногалоидных кристаллов NaCl. Предложена модель, алгоритм, разработан па­
кет программ, позволяющие моделировать и воспроизводить движение дис­
локаций и их перераспределение в ультразвуковом поле.
Показано, что в ультразвуком поле происходит перераспределение дис­
локаций, в результате которого формируются упорядоченные комплексы
дислокаций, включая и дислокационный стенки - происходит процесс само­
организации дислокаций.
Получен банк данных о структуре, динамических дислокационных ан­
самблей, формирующихся в зависимости от амплитуды и частоты ультразву­
ка, для различных реализацией случайного расположения дислокаций в ис­
ходном ансамбле.
Таким образом, моделирование показало, что в результате самооргани­
зации дислокаций в ультразвуковом поле в кристалле образуется динамиче­
ская ячеистая структура с чередующимися по знаку дислокационными стен­
ками, стабильная по отношению к дальнейшему повышению амплитуды
вплоть до амплитуды, соответствующий динамическому пределу текучести.
14
О Б Щ И Е В Ы В О Д Ы ПО РАБОТЕ
1. Под действием ультразвука в неупорядоченном ансамбле происхо­
дит процесс полигонизации дислокаций, в результате когорого формируются
упорядоченные динамические дислокационные структуры - диполи, мультиполи и дислокационные стенки, то есть имеет место самоорганизация дис­
локаций, поскольку действие ультразвука не направлено на формирование
упорядоченной дислокационной структуры.
2. Финальное распределение дис;юкаций по упорядоченным динами­
ческим ансамблям зависит от начального расположения дислокаций и пара­
метров ультразвука (амплитуды и частоты)
3. Существует характерное время достижения дислокационным ан­
самблем состояния «насыщения», при котором суммарный процент дислока­
ций, вошедших в упорядоченные структуры, не изменяется. Оно зависит от
частоты, амплитуды ультразвука и имеет порядок 100 периодов.
4. При заданной частоте (порядка 100 кГц ) с ростом амплигуды ульт­
развука средний процент дислокаций, входящих в упорядоченные ансамбли,
не изменяется и остается около 77%, а число дислокационных комплексов в
виде дислокационных стенок претерпевает изменение на протяжении всего
времени действия ультразвука, происходит процесс полигонизации, образо­
вание ячеистой структуры.
5. В ультразвуковом поле формируется система границ блоков состоя­
щих из дислокаций одного знака, и чередующихся по знаку дислокаций, в
них входящих.
6. В отличие от дислокационных стенок, образующихся в результате
термической обработки кристаллов (отжига), в гра1шцах сформировавшиеся
в ультразвуковом поле, дислокации не лежат в одной плоскости, и расстоя­
ние между дислокациями в границах неодинаковы так, что граница имеют
тонкую структуру, содержит дислокационные диполи и мультиполи.
7. Тонкая структура границ блоков определяется в основном началь­
ным распределением дислокаций, но зависит и от параметров ультразвука.
8. Дислокации, принадлежащие одной границе, колеблются синхронно.
Дислокации соседних границ колеблются в противофазе.
Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:
1. Полигонизация в ультразвуковом поле / Б.Т. Дегтярев, А.Ю. Лосев,
Ф.А. Плотников, Н А. Тяпунина // Известия Р А Н . Сер. Физическая. - 2004. Т. 68, № 1 0 . - С. 15)6-1517.
2. Дегтярев В.Т., Лосев А.Ю., Плотников Ф А. Динамические дисло­
кационные структуры в ультразвуковом поле: диполи и Триполи // Материа­
ловедение. - 2004. - №7. - С. 8-12.
15
3. Дегтярев В.Т., Лосев А.Ю., Плотников Ф.А. Перераспределение не­
упорядоченных дислокационных ансамблей в ультразвуковом поле // Науко­
емкие технологии. - 2005. - № 3-4, т. 6. - С. 5-8.
4. Акустопластический эффект, обусловленный взаимодействием дис­
локаций / В.Т. Дегтярев, А.Ю. Лосев, Ф.А. Плотников, Н.А. Тяпунина
//Imperfection interaction and anelasticity phenomena in solids (IIAPS - 10):
Материалы X Международной научно-практической конференции. - Тула,
2001.-С. 34.
5. Влияние колебаний лесных дислокаций на движение скользящей
дислокации/В.Т. Дегтярев, А.Ю. Лосев, Ф.А. Плотников, Н.А. Тяпунина
// Дефекты структуры и прочность кристаллов: Тезисы Всероссийской кон­
ференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика Г.В. Курдюмова. - Черноголовка, 2002. - С. 235.
6. Лосев А.Ю., Плотников Ф.А. Динамические дислокационные струк­
туры в ультразвуковом поле // Структурные основы модификации материа­
лов методами нетрадиционных технологий (МНТ-7): Тезисы Всероссийской
конференции. - Обнинск, 2003. - С. 75-76.
7. Пластификация кристаллов ультразвуком, обусловленная взаимо­
действием дислокаций / В.Т. Дегтярев, А.Ю. Лосев, Ф.А. Плотников,
Н.А. Тяпунина // Труды ТулГУ. Сер. Физика. - Тула, 2003. - Вып. 3. - С. 3-8.
16
Плотников Федор Алексеевич
САМООРГАНИЗАЦИЯ ДИСЛОКАЦИЙ В УЛЬТРАЗВУКОВОМ ПОЛЕ
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана
Калужский филиал
Подписано в печать 26.10.2005 г.
Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Гарнитура «Тайме».
Печ. л. 1,0. Усл. п. л. 0,93. Тираж 100 экз. Заказ №140
Изготовлено в Редакционно-издательском отделе
К Ф МГТУ им. Н.Э. Баумана
248000, г. Калуга, ул. Баженова, 4, тел. 57-31-87
''OSgit
РНБ Русский фонд
2006-4
21792
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
757 Кб
Теги
bd000102065
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа