CC BY
151
Физические принципы мезомеханики поверхностных слоев и внутренних границ раздела в деформируемом твердом теле
В.Е. Панин, В.М. Фомин1, В.М. Титов2
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия
1 Институт теоретической и прикладной механики СО РАН, Новосибирск, 630090, Россия
2 Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, Новосибирск, 630090, Россия
Обсуждаются основополагающие физические принципы мезомеханики поверхностных слоев и внутренних границ раздела в нагруженных структурно-неоднородных средах по результатам интеграционного проекта № 45 СО РАН, 2000-2002 гг. Поверхностные слои и внутренние границы раздела классифицируются как автономные мезоскопические структурные уровни деформации, играющие важнейшую функциональную роль в механическом поведении твердых тел в различных полях внешних воздействий.
1. Введение
В интеграционном проекте № 28 СО РАН (19971999 гг.) исследованы физические процессы на границах раздела при получении гетерогенных материалов [1].
В интеграционном проекте N° 45 восьми институтов СО РАН поставлена задача сформулировать общие принципы мезомеханики поверхностных слоев и внутренних границ раздела как основу мультидисципли-нарного подхода к решению актуальных задач материаловедения в ряде областей науки и техники: физике, механике, химии, электронике, машиностроении, энергетике.
Такой широкий круг мультидисциплинарных приложений мезомеханики поверхности и внутренних границ раздела не случаен.
Фундаментальная роль поверхности как особого состояния твердого тела широко обсуждается в физике, химии и их многочисленных приложениях в материаловедении [2-7]. Применение в последние годы атомно-силовой, сканирующей туннельной, растровой электронной микроскопии, оптико-телевизионного измерительного комплекса высокого разрешения, фрактального анализа показало, что поверхностный слой в нагруженных материалах является самостоятельным мезоскопическим структурным уровнем деформации, который играет важнейшую функциональную роль в
механическом поведении деформируемого твердого тела в целом [8-11]. Это обусловило развитие нового подхода к описанию поведения поверхностных слоев в физической мезомеханике материалов. Поскольку в любых внешних полях (механических, термических, электрических и др.) в твердых телах возникают внутренние напряжения, резко различающиеся в поверхностных слоях и объеме материала, проблема мезо-механики поверхностных слоев является актуальной практически во всех областях современного материаловедения.
Внутренние границы раздела в традиционной механике деформируемого твердого тела рассматриваются лишь как дополнительное сопротивление сдвигу [12]. Этот взгляд претерпел кардинальные изменения в физической мезомеханике [11, 13]. Несовместность упругой деформации сред, сопряженных на внутренних границах раздела, обусловливает возникновение на этих границах квазипериодических концентраторов напряжений. Последние вызывают зарождение на границах раздела деформационных дефектов различного масштабного уровня: дислокаций, дисклинаций, мезо- и макрополос локализованной пластической деформации, микро- и макротрещин. Распространение последних в объеме деформируемого материала является сугубо релаксационным процессом. Однако поворотные моды
© Панин В.Е., Фомин В.М., Титов В.М., 2003
деформации, сопровождающие кристаллографические сдвиги в объеме материала, обусловливают развитие стесненных поворотов структурных элементов деформации как целого. Это обусловливает возникновение концентраторов напряжений на внутренних границах раздела в ходе всего процесса пластической деформации, несмотря на релаксационную природу сдвигов в объеме материала. Естественно, данные процессы зависят от структуры и состояния внутренних границ раздела, а также условий внешнего нагружения. Микроскопические процессы атомных перераспределений на внутренних границах раздела, обусловливающие возникновение на них концентраторов напряжений, пока разрешить не удается. Однако классификация внутренних границ раздела как мезоскопического структурного уровня деформации не вызывает сомнений.
Рассмотренные выше положения физической мезо-механики структурно-неоднородных сред систематически исследованы в рамках интеграционного проекта № 45 СО РАН. Их анализ и обобщение позволили сформулировать основные принципы мезомеханики поверхностных слоев и внутренних границ раздела в деформируемом твердом теле, а также рассмотреть их приложения к решению ряда актуальных проблем современного материаловедения.
2. Физические принципы мезомеханики поверхностных слоев и внутренних границ раздела в деформируемом твердом теле
Принцип 1. Поверхностные слои нагруженных твердых тел являются самостоятельным мезомасштабным структурным уровнем деформации, определяющим первичное зарождение всех видов деформационных дефектов.
Принцип 2. Внутренние границы раздела в структурно-неоднородных средах играют важную функциональную роль в формировании концентраторов напряжений, определяющих механизмы распространения пластических сдвигов и зарождение трещин в объеме деформируемого твердого тела.
Принцип 3. Все механизмы массопереноса в твердых телах в полях внешних воздействий можно описать как суперпозицию базовых мод локальных структурных превращений на различных масштабных уровнях. Данные структурно-фазовые переходы зарождаются на концентраторах напряжений различного масштаба и развиваются в полях градиентов напряжений как авто-волновой релаксационный процесс распространения потоков различного рода дефектов кристаллической решетки. Поверхностные слои и внутренние границы раздела контролируют развитие процессов массопереноса в нагруженном твердом теле.
Данные физические принципы отражают радикальное отличие методологии физической мезомеханики, с одной стороны, от методологий механики сплошной
среды и дислокационной физики пластичности, с другой стороны.
Исторически первой зародилась и сформировалась как самостоятельная наука механика сплошной среды. Она феноменологически описывала деформируемое твердое тело на макромасштабном уровне. Появление просвечивающей электронной микроскопии позволило физикам исследовать механизмы пластической деформации на уровне кристаллической решетки и описать пластическое течение на микромасштабном уровне. Однако методология описания и в физике и в механике одинакова:
- Пластическое течение происходит под действием средних приложенных напряжений, и кривая «напряжение - деформация» отражает деформационное упрочнение нагруженного твердого тела выше его предела текучести.
- Любое пластическое формоизменение твердого тела можно описать суперпозицией сдвигов в различных кристаллографических направлениях.
Эта методология успешно применяется в различных инженерных расчетах, но не соответствует физической природе пластической деформации и разрушения твердых тел. В физической мезомеханике введен в рассмотрение промежуточный масштабный уровень (мезоскопический) и радикально изменена методология описания деформируемого твердого тела. В основе новой методологии лежат следующие положения.
1. Деформируемое твердое тело есть многоуровневая система, в которой пластическая деформация самосогласованно развивается как последовательная эволюция потери сдвиговой устойчивости на различных масштабных уровнях: микро, мезо и макро.
2. Любой сдвиг зарождается в локальных зонах концентраторов напряжений как локальное структурное превращение в твердом теле и распространяется в поле градиента внутренних напряжений как волновой релаксационный процесс.
3. Сдвиг внутри любого структурного элемента среды вызывает действие на данный структурный элемент со стороны окружающей среды поворотного момента, поэтому элементарными носителями пластического течения на мезоуровне являются трехмерные структурные элементы, движение которых необходимо описывать схемой «сдвиг + поворот».
4. Пластическое течение на мезомасштабном уровне приводит к формированию диссипативных мезострук-тур и фрагментации деформируемого твердого тела.
5. Разрушение есть завершающая стадия фрагментации материала, когда она локализуется на макромасштабном уровне как глобальная потеря сдвиговой устойчивости нагруженного твердого тела.
Из методологии физической мезомеханики логически вытекают физические принципы мезомеханики поверхностных слоев и внутренних границ раздела в де-
Рис. 1. СТМ-изображения поверхности образца ВТ1-0, подвергнутого растяжению на 8 = 16 % после предварительной ультразвуковой обработки и наводораживания [14]. Размер изображений: 400 х 400 (а); 40 х 40 (б); 20 х 20 мкм2 (в)
формируемом твердом теле. Эти принципы были сформулированы в интеграционном проекте № 45 СО РАН, 2000-2002 гг. Остановимся более подробно на их содержании и обосновании.
3. Поверхностные слои как мезоскопический структурный уровень деформации
Сильное влияние состояния поверхностного слоя на механическое поведение нагруженного твердого тела хорошо известно в литературе. Однако традиционно это влияние связывалось с исходной дефектностью поверхностного слоя или развитием его дефектности под влиянием окружающей среды. Физическая мезомеханика показала принципиально важную функциональную роль поверхностного слоя, связанную с его пониженной сдвиговой устойчивостью.
Основополагающий тезис физической мезомехани-ки утверждает, что пластическое течение нагруженного твердого тела связано с потерей его сдвиговой устойчивости, которая развивается в результате локальных структурных превращений в зонах концентраторов напряжений на различных масштабных уровнях. Естественно, что ослабленный поверхностный слой должен в первую очередь терять свою сдвиговую устойчивость в любых полях внешних воздействий. В настоящее время экспериментально показано, что кристаллическая структура поверхностного слоя существенно отличается от структуры трансляционно-инвариантного кристалла в его объеме [2, 3]. Поверхностный слой имеет террасно-ступенчатую структуру, в нем имеется набор атомных конфигураций, в том числе отличных от кристаллической структуры в объеме материала, аномально
высока концентрация вакансий и существенно смягчены фононные моды. Все это способствует возникновению в поверхностном слое локальных структурных превращений недислокационного типа при значительно более низких напряжениях по сравнению с сопротивлением дислокационной деформации в объеме кристалла. Действительно, использование сканирующей туннельной микроскопии обнаруживает развитие в поверхностных слоях деформируемых твердых тел системы мезополос поверхностной локализованной деформации, распространяющихся по сопряженным направлениям максимальных касательных напряжений т тах [8]. Следует подчеркнуть, что такие мезополосы локализованного пластического течения обнаруживаются и на поверхности головок образца (имеющего форму лопатки), которые в объеме деформируются только упруго. Таким образом, в поверхностных слоях пластическое течение развивается автономно и опережает пластическую деформацию в объеме образца.
На рис. 1 представлены масштабные уровни поверхностных мезополос, возникающих при растяжении плоского поликристаллического образца технического титана [14]. Поверхностный слой образца был предварительно обработан ультразвуком и насыщен водородом. Это не только интенсифицировало развитие поверхностных мезополос локализованного пластического течения, но и позволило выявить их тонкую структуру на различных мезомасштабных уровнях. Из рис. 1 видно, что поверхностные мезополосы имеют иерархическую структуру сдвигов по сопряженным направлениям максимальных касательных напряжений. При этом на каждом масштабном уровне сдвиг в поверх-
337.0 нм (X) 320.4 нм (У)
б
(29.16 нм)
: -Л. V-. М /К
Vм
0.0 База: 448.6 нм
Рис. 2. СТМ-изображения поверхности дуралюмина, растяжение, 8 ~ 14.1 % [15]: профиль поверхности (а); профилограмма вдоль направления АВ (б); стрелками указано направление оси растяжения
ностном слое распространяется через многие зерна поликристалла, сохраняя свое направление вдоль т тах. Это позволяет считать, что в тонком поверхностном слое сдвиг, как локальная потеря сдвиговой устойчивости, осуществляется в направлении ттах путем локального структурного превращения одних атомных конфигураций в другие независимо от кристаллической ориентации поверхностных зерен поликристалла. Глубина сдвигов в поверхностном слое, выявляемая сканирующей туннельной микроскопией, составляет ~ 1.5 нм для тонких линий скольжения и ~7.0 нм для грубых линий скольжения (рис. 2) [15].
Световая микроскопия выявляет в поверхностных зернах линии кристаллографического скольжения, связанные с зарождением на поверхности дислокаций и их распространением в объем материала. Этот процесс является вторичным, инициированным несовместностью деформации тонкого поверхностного слоя и основного объема деформируемого образца [9].
Развитие специфических поверхностных сдвигов как самостоятельного мезоскопического структурного уровня деформации выражено особенно отчетливо в условиях знакопеременного нагружения образца при испытаниях на усталость [16]. Основной объем образца на первой стадии испытания на усталость испытыва-ет только упругую деформацию, а его поверхностные слои — знакопеременную пластическую деформацию «растяжение - сжатие».
Эффект Баушингера при знакопеременном нагружении поверхностного слоя позволяет накапливать в нем
большие степени пластической деформации. Несовместность деформации поверхностного слоя и упруго нагруженной подложки обусловливает возникновение эффекта гофрирования поверхностного слоя с образованием квазипериодических зон сильно выраженной локальной кривизны (рис. 3). Обусловленные локальной кривизной поверхности концентраторы напряжений не способны релаксировать генерацией деформационных дефектов в упруго нагруженную подложку. В результате, в поверхностном слое возникает множество поверхностных усталостных трещин, развитие которых определяет первую стадию усталостного разрушения.
4. Автоволновой характер распространения поверхностных сдвигов в деформируемом твердом теле
В соответствии с синергетическими принципами физической мезомеханики [11], развитие сдвигов в поверхностных слоях классифицируется как движение бегущего импульса в возбудимой среде подобно реакции Белоусова-Жаботинского [17]. Протекание данной реакции сопровождается выделением продукта реакции, который снижает активность возбудимой среды и называется ингибитором. Для продвижения фронта реакции Белоусова-Жаботинского ингибитор должен удаляться в окружающий материал. Роль такого ингибитора при деформации поверхностного слоя играет возникновение в нем локальных зон изгиба-кручения как следствие несовместности деформации поверхностного слоя и подложки. Возникающие в локальных зонах изгиба-кручения концентраторы напряжений, с одной стороны, создают встречные поля напряжений, которые тормозят движение фронта сдвигов в поверхностных слоях. С другой стороны, достигнув определенных критических значений, они генерируют в кристаллической подложке деформационные дефекты различного масштабного уровня: дислокации, дисклинации, мезо- и
Рис. 3. Возникновение гофра и микротрещин на поверхности плоского образца технического алюминия при знакопеременном изгибе; растровый электронный микроскоп, число циклов N = 3.2-106; х 1 100
макрополосы локализованной деформации. Последние перемещаются в поле градиента концентратора напряжений вглубь материала, и локальная зона изгиба-кручения в поверхностном слое уменьшает свою кривизну. Фронт поверхностных сдвигов распространяется дальше. Данный процесс повторяется квазипериодически, обусловливая квазипериодическую локализацию пластического течения на различных масштабных уровнях.
Распространение фронта поверхностных сдвигов вдоль деформируемого образца по своей природе есть нелинейный автоволновой процесс. В рамках полевой теории дефектов в вязкопластичной среде [18] данный процесс описывается волновыми уравнениями:
В д а , п да „
--------Да + —— = 0,
5 дt2 5 дt
В д2 / . п д/ „
------ТТ-Д/ + —— = 0,
5 дt2 5 дt
(1)
(2)
где а — плотность дефектов; / — плотность потоков дефектов; п — вязкость среды; В и 5 — константы. Уравнения (1), (2) феноменологически подобны уравнениям Максвелла в электродинамике для распространения электромагнитных волн в среде. Зарождается поверхностный сдвиг на источнике в виде концентратора напряжений (базовым концентратором напряжения является место крепления захвата испытательной машины на головке образца). Кинетическая энергия поверхностного сдвига аккумулируется в виде упругой энергии зоны изгиба-кручения в поверхностном слое деформируемого образца. Возникающий в зоне изгиба-кручения наведенный концентратор напряжений релаксирует новым поверхностным сдвигом. Порождаемые в зоне изгиба-кручения деформационные дефекты учитываются в волновых уравнениях (1), (2) коэффициентом вязкости среды П-
Подчеркнем, что тезис о зарождении деформационных дефектов на поверхности нагруженного твердого тела обсуждается в литературе уже многие десятилетия [4-7]. Однако вскрыть волновые процессы автономного пластического течения в поверхностных слоях твердых тел удалось только в последние годы благодаря появлению сканирующей туннельной микроскопии.
5. Внутренние границы раздела как мезоскопический структурный уровень деформации
В структурно-неоднородных средах к внутренним границам раздела относятся:
- границы зерен в поликристаллах;
- межфазные границы в гетерофазных материалах;
- границы раздела между поверхностно упрочненным слоем (или покрытием) и подложкой;
- границы раздела в сварных соединениях между сварным швом, зоной термического влияния и основным металлом;
Рис. 4. Зарождение и развитие поперечной трещины на границе раздела «покрытие - подложка» (покрытие снизу); 8 = 8 %; х 65 [11]
- границы раздела между материалом матрицы и армирующими элементами в композиционных материалах;
- границы раздела в многослойных материалах.
Экспериментально и теоретически показано, что при
нагружении гетерогенной среды на внутренних границах раздела возникают концентраторы напряжений, которые генерируют в пластичную матрицу деформационные дефекты, а в хрупкие (или малопластичные) элементы среды — трещины (рис. 4) [11]. Возникновение концентраторов напряжений на внутренних границах раздела обусловлено тремя факторами:
- несовместностью упругих деформаций двух смежных сред,
- возникновением стесненного поворота структурного элемента деформации как целого при развитии внутри его объема пластических сдвигов,
- возникновением на внутренних границах неравноосных структурных элементов потоков дефектов (точечных, зернограничных дислокаций, локальных структурных превращений), обусловливающих специфические механизмы зернограничного проскальзывания, диффузионно-стимулированной ползучести и др.
Наиболее подробно и систематически в интеграционном проекте № 45 СО РАН изучены закономерности возникновения мезоконцентраторов напряжений на границах раздела «поверхностно упрочненный слой (покрытие) - подложка», в материалах со слоистой внутренней структурой и на границах раздела в сварных соединениях [19-24]. Подобные мезоконцентраторы напряжений резко снижают характеристики прочности и пластичности поверхностно упрочненных материалов и сварных соединений конструкций. Поэтому разработка мезомеханики внутренних границ раздела представляет не только теоретический, но и большой практический интерес.
Рассмотрим кратко основные закономерности механического поведения на мезоуровне композиции «по-
* '
а
Рис. 5. Механизм деформации на мезоуровне плоских образцов хромистой стали, подвергнутых ионному азотированию: а, б — квази-периодическое распределение микротрещин в поверхностно упрочненных слоях, толщина упрочненного слоя 3 (а) и 20 мкм (б); в — мезополосы локализованной деформации на боковой неупрочненной поверхности плоских образцов [11]; х 400
верхностно упрочненный слой (покрытие) - подложка». Поведение такого композиционного материала существенно зависит от геометрии границы раздела «покрытие - подложка». На плоской границе раздела, которая характеризуется скачкообразным изменением структуры и свойств сопрягаемых материалов, возникают квазипериодические мезоконцентраторы напряжений, инициирующие развитие в покрытии поперечных трещин, а в подложке — мезополос локализованной деформации, распространяющихся по сопряженным направлениям максимальных касательных напряжений (рис. 5). Расстояние между трещинами возрастает с увеличением толщины покрытия.
Самосогласование смежных мезополос обусловливает возникновение под упрочненным поверхностным слоем (покрытием) серии трехгранных призм (рис. 5). Материал призм находится в объемном напряженном состоянии, и они вдавливаются в объем образца как целое, образуя серию мезоконценраторов напряжений, квазипериодически распределенных вдоль образца. В деформируемом образце интенсивно развивается пластическое течение на мезомасштабном уровне.
Картина такого пластического течения представлена на рис. 6 в виде полей векторов смещений и их поперечных составляющих. Из рис. 6, б видно, что на первой стадии пластической деформации линии равной величины поперечных составляющих (так называемые изо-теты) отражают автономное самосогласование концент-
раторов напряжений на каждом из упрочненных поверхностных слоев образца. При определенной степени деформации возникает самосогласование мезоконцент-раторов напряжений, расположенных на противоположных сторонах поверхностно упрочненного образца. Эпюра изотет поперечных составляющих векторов смещений резко меняется: они проходят через все сечение образца (рис. 6, в). Возникает локализация пластического течения на макромасштабном уровне как стадия предразрушения образца. Развитие этой макролокализации пластического течения в одном из сечений оказывается наиболее интенсивным, что завершается разрушением образца.
При увеличении толщины покрытия (Дd п) увеличиваются расстояния между трещинами в поверхностном слое, размеры прилегающих к покрытию трехгранных призм и мощности связанных с ними мезокон-центраторов напряжений. В ходе нагружения образца самосогласование мезоконцентраторов напряжений, расположенных на противоположных сторонах поверхностно-упрочненного образца, происходит при меньших степенях деформации. В результате пластичность поверхностно упрочненных образцов непрерывно снижается по мере увеличения толщины упрочненного слоя (рис. 7). При очень больших толщинах (Дdn) представленная на рис. 6, в картина формируется уже при небольших степенях деформации. Это обусловливает снижение как пластичности, так и сопротивления
Рис. 6. Поле векторов смещений (а) и изотеты их поперечных составляющих (б, в) при различных степенях деформации: 8 = 7.5-8.5 % (б) и 8.5-9.5 % (в)
о 5 10 15 8,%
Рис. 7. Кривые «напряжение - деформация» при растяжении поверхностно упрочненных образцов стали 65X13 с различной толщиной упрочненного слоя: 0 (1), 20 (2), 45 (3), 65 (4) и 120 мкм (5) [25]
деформации поверхностного упрочненного образца (кривая 5 на рис. 7). Анализ изотет поперечных составляющих векторов смещений позволяет сформулировать критерий оптимальной толщины поверхностного упрочненного слоя (покрытия), которая обеспечивает высокие характеристики прочности, износостойкости, надежности и ресурса работы поверхностно упрочненного материала.
Эксплуатационные характеристики материала с поверхностным упрочнением значительно улучшаются, если граница раздела «покрытие - подложка» имеет зубчатый или игольчатый вид [26]. В этом случае расстояние между смежными зубьями мало и стохастически варьируется на поверхности раздела. В поверхностном упрочненном слое при нагружении образца развивается сетка мелких трещин, которые формируют ячеистую мезоструктуру (рис. 8, в) [27]. Мелкие трещины заполнены пластичным материалом подложки, который экструдируется в микротрещины при нагружении образца. Такая мезоструктура поверхностного слоя эффективно демпфирует опасные концентраторы напряжений при неоднородном нагружении материала и имеет высокие характеристики прочности и износостойкости. В то же время, в объеме подложки долгое время сохраняется автономное самосогласование мезополос локализованной деформации, генерируемых смежными микротрещинами в каждом поверхностном упрочненном слое (рис. 8, б). Подобное поверхностное упрочнение характеризуется очень высокими характеристиками прочности и износостойкости.
Мезомеханика развития мезо- и макрополосовых структур в зонах термического влияния около сварных соединений подробно изучена в [24]. Показано, что характер разрушения материалов со сварным соединением полностью определяется величиной и картиной распределения мезо- и макроконцентраторов напряжений на границах «сварной шов - зона термического влия-
Рис. 8. Вид боковой (а, б) и борированной (в) поверхности плоского образца стали 15Н3МА: а — оптическое изображение боковой грани исходного образца; х 250; б — оптическое изображение боковой грани образца, растяжение, 8 = 3 %; в — изображение борированной поверхности образца малоуглеродистой стали после деформирования растяжением (растровый электронный микроскоп), 8 = 3 %; х 30 [27]
ния - основной металл». Ударная ультразвуковая обработка сварных соединений существенно повышает их эксплуатационные характеристики, особенно усталостную прочность. Это связано как с релаксацией опасных концентраторов напряжений в сварном соединении, так и с измельчением структуры поверхностного слоя. При
определенных условиях ультразвуковой обработки в поверхностном слое сварного соединения может быть создана наноструктура. Это позволяет поднять усталостную прочность сварного соединения в 2-3 раза.
Исследования других видов внутренних границ раздела будут завершены в новом интеграционном проекте СО РАН. Однако уже полученные результаты полностью согласуются с развиваемыми представлениями о важной функциональной роли любых внутренних границ раздела.
6. Пластическая деформация твердого тела как суперпозиция базовых мод локальных структурных превращений на различных масштабных уровнях
В традиционной физике пластичности и прочности механизмы деформации описываются на языке теории дислокаций и дисклинаций как дефектов кристаллической решетки. Однако анализ всех типов деформационных дефектов в кристаллах показывает, что они являются не просто нарушением периодичности структуры исходного кристалла, а элементами других структур. Например, ядро расщепленной дислокации в ГЦК-кристалле есть элемент ГПУ-структуры, ограниченный частичными дислокациями. Протяженные дефекты упаковки и двойники в ГЦК-кристаллах с низкой энергией дефекта упаковки есть планарные ГПУ-структуры на плотноупакованных плоскостях. В кристаллах вблизи температур структурных превращений деформация осуществляется образованием мартенситных ламелей как структур другой фазы. Если кристалл испытывает структурно-фазовый переход, его деформация развивается в режиме сверхпластичности. Другими словами, зарождение пластического сдвига есть локальный кинетический структурный переход и может происходить только в локальной зоне нагруженного кристалла.
Физика локального структурного превращения при зарождении ядра дислокации связана с понятием «сильно возбужденных состояний в кристаллах» [28, 29]. Согласно [28, 29], в условиях сильного возбуждения в качестве исходного нужно брать состояние, характеризуемое максимумом неравновесного термодинамического потенциала, для которого функция распределения атомов в пространстве качественно отличается от таковой для идеального кристалла. Наряду со структурными состояниями исходного кристалла в условиях сильного возбуждения в пространстве междоузлий появляются новые разрешенные структурные состояния, которые могут быть либо вакантными, либо занятыми сильно возбужденными атомами. В кристалле возникают новые степени свободы. Сильно возбужденный кристалл становится, по существу, суперпозицией нескольких структур, и число разрешенных структурных состояний в системе значительно превышает число атомов. Такие состояния в кристалле были названы атом-вакансион-
ными (или сильно возбужденными). Они вполне естественно объясняли нелинейный характер поведения сильно возбужденного кристалла, аномально большие скорости массопереноса в нем, поскольку атомы в данных условиях могут двигаться через междоузлия, и гидродинамический характер течения. В ходе движения сильно возбужденного кристалла к равновесию в нем могут возникать промежуточные структуры, связанные с возможностью локализации сильно возбужденных атомов в новых структурных состояниях. Промежуточные структуры в конечном состоянии оказываются метаста-бильными, однако обеспечивают при своем возникновении дополнительные каналы диссипации энергии. Процесс является сугубо диссипативным.
Принципиально важным в новом подходе является то, что любое нарушение структуры кристалла следует рассматривать как новое разрешенное структурное состояние, генетически заложенное в электронно-энергетическом спектре кристалла. Отсюда все типы дефектов в реальных кристаллах следует рассматривать как локальные метастабильные структуры, неизбежно возникающие при образовании кристалла или при воздействии на него внешних полей, когда он проходит через стадии сильно возбужденных состояний.
Существование в реальном кристалле помимо его основного структурного состояния целой совокупности других локальных структур обусловлено фактором производства энтропии при движении сильно неравновесного твердого тела к равновесию. При небольшой плотности этих сторонних локальных структур их классифицируют как дефекты реального кристалла, при большой — как аморфное состояние. Получить из смеси нескольких структур сильно возбужденного кристалла одну идеальную в основном состоянии задача сверхсложная. По-видимому, единственный случай ее решения — бездефектные нитевидные кристаллы. В общем случае в реальном кристалле всегда неизбежна примесь метастабильных локальных структур, то есть дефектов, которые наследуются твердым телом из смеси структурных состояний жидкости при ее кристаллизации.
В последние два десятилетия развиваемые представления существенно углубились, развит математический аппарат их описания [30-32], получены убедительные экспериментальные данные, подтверждающие выводы теории. В 1985 году был открыт эффект вязкого течения под действием собственного веса в стержне из армко-железа при его термоциклировании через а-у-превра-щение в среде водорода [33]. При повышении температуры эффект исчезает, то есть он не связан с высокотемпературной ползучестью. Без водорода, который проникает в решетку железа, эффект не наблюдается. Обнаруженное вязкое течение кристаллического железа при структурном фазовом переходе в среде водорода является убедительным подтверждением связи пластической деформации с зарождением и развитием локаль-
ных структурных превращений. В настоящее время широко используется в практике эффект сверхпластичности при деформации труднообрабатываемых сплавов в среде водорода [34].
В интеграционном проекте № 45 СО РАН выполнено обстоятельное структурное исследование механизма деформации в двойниках и полосах локализованной деформации, возникающих в моно- и поликристаллах при высокоинтенсивных внешних воздействиях [35]. В качестве объектов исследования были выбраны аустенит-ные стали, сплавы на основе интерметаллидов ЖП и N^1. Образцы подвергали глубокой прокатке, деформации в наковальне Бриджмена, ударному воздействию мощными ионными пучками. Просвечивающая электронная микроскопия обнаруживает в деформированных материалах локальные структурные превращения как механизм деформации кристаллических твердых тел в условиях высокоинтенсивных внешних воздействий. Подробно данные результаты представлены в данном тематическом выпуске [35].
В традиционной физике пластичности и прочности ядра дислокаций исключаются и рассматривается только взаимодействие упругих полей дислокаций. Это составляет только часть работы внешних сил. Увеличение в деформируемом твердом теле плотности дефектов всех типов связано, прежде всего, с процессом локальных структурных превращений на различных масштабных уровнях. Расчет этой части работы внешних сил проводится в настоящее время в физической мезоме-ханике.
В общей постановке физика пластической деформации должна рассматриваться на основе законов поведения неоднородных сильно неравновесных систем, претерпевающих локально структурные превращения и следующих к равновесию путем движения элементов новых структур по кристаллу в полях градиентов напряжений. Перестраиваясь эстафетно между двумя смежными структурами, деформируемый кристалл испытывает пластическое течение как диссипативный процесс. Этот подход приводит, по существу, к термодинамическому описанию процесса пластической деформации твердых тел на основе законов неравновесной термодинамики. Напомним, что идеи термодинамического описания механики деформируемого твердого тела активно разрабатывались в работах академика Л.И. Седова.
7. Заключение
Большой объем экспериментальных и теоретических исследований, выполненных комплексным коллективом восьми институтов СО РАН в рамках интеграционного проекта № 45 в 2000-2002 гг., позволил сформулировать физические принципы мезомеханики поверхностных слоев и внутренних границ раздела в
структурно-неоднородном деформируемом твердом теле. Эти принципы являются важным вкладом в построение механики структурно-неоднородных сред, над чем в настоящее время интенсивно работают механики СО РАН. Наряду с этим, они могут быть эффективно использованы при разработке перспективных гетерогенных материалов и покрытий с высокими характеристиками прочности, износостойкости, надежности и долговечности. Данное направление работ будет продолжено в новом междисциплинарном проекте № 93 «Разработка принципов и технологий создания наноструктурных состояний в поверхностных слоях и на внутренних границах раздела высокоресурсных конструкционных и функциональных материалов».
Благодарности
Работа выполнена при финансовой поддержке СО РАН.
Литература
1. Панин В.Е., Фомин В.М., Титов В.М. и др. Физические процессы на границах раздела при получении гетерогенных материалов и покрытий // Сб. статей по интеграционным программам фундаментальных исследований СО РАН. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1998. - С. 343-356.
2. Васильев М.А. Структура и динамика поверхности переходных металлов. - Киев: Наукова думка, 1988. - 248 с.
3. Zangwill A. Physics of surfaces. - Cambridge: Cambridge University Press, 1988. - 536 р.
4. Гилман Дж., Джонсон В. Зарождение и рост полос скольжения в кристаллах фтористого лития // Дислокации и механические свойства кристаллов / Пер. с англ. под ред. М.В. Классен-Неклюдовой и В.Л. Инденбома. - М.: Иностр. литер., 1960. - С. 82-116.
5. Eshelby J.D. Boundary problems. - Amsterdam: North-Holland Publ.,
1979. - 167 p.
6. Орлов Л.Г. Влияние поверхностного натяжения на гетерогенное зарождение дислокаций в кристаллах // ФТТ. - 1972. - Т. 14. -№ 12. - С. 3691-3709.
7. Алехин В.П. Физика прочности и пластичности поверхностных слоев материалов. - М.: Наука, 1983. - 280 с.
8. Панин А.В., КлименовВ.А., Абрамовская Н.Л., Сон A.A. Зарождение
и развитие потоков дефектов на поверхности деформируемого твердого тела // Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. - № 1. - С. 83-92.
9. Панин В.Е. Поверхностные слои нагруженных твердых тел как мезоскопический структурный уровень деформации // Физ. мезо-мех. - 2000. - Т. 4. - № 3. - С. 5-22.
10. Panin V.E. Strain-induced defects in solids at the different scale levels of plastic deformation and the nature of their sources // Materials Science and Engineering A. - 2001. - V. 319-321. - P. 197-200.
11. Panin V.E. Synergetic principles of physical mesomechanics // Theor. and Appl. Frac. Mech. - 2001. - V. 37. - P. 261-298.
12. Шермергор Т.Д. Теория упругости микронеоднородных сред. -М.: Наука, 1977. - 399 с.
13. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1995. -Т. 1. - 298 с., Т. 2. - 320 с.
14. Панин А.В., Панин В.Е., Почивалов Ю.И., Клименов В.А., Чер-новИ.П., Валиев Р.З., Казаченок М.С., Сон А.А. Особенности локализации деформации и механического поведения титана ВТ1-0 в различных структурных состояниях // Физ. мезомех. - 2002. -Т.5.- № 4. - С. 73-84.
15. Кузнецов П.В., Панин В.Е. Прямое наблюдение потоков дефектов и субмикронной локализации деформации на поверхности дуралю-
мина при помощи сканирующего туннельного и атомного силового микроскопов // Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. - № 2. - С. 91-97.
16. Панин В.Е., Елсукова Т.Ф., Ангелова Г.В. Механизм деформации и зарождения усталостных трещин в поликристаллах алюминия при знакопеременном изгибе // Доклады РАН. - 2002. - Т. 38. -№ 3. - С. 335-340.
17. Tyson J.J. The Belousov-Zhabotinsky reaction (Lecture notes in biomathematics). - Berlin: Springer, 1976. - V. 10. - 150 p.
18. Гриняев Ю.В., Чертова Н.В. Полевая теория дефектов. Часть I // Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. - № 5. - С. 19-32.
19. Panin S. V. Plastic deformation and fracture caused by coating-sub-strate mismatch at mesoscale // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. - 2001. - V. 35. - No. 1. - P. 1-8.
20. Бондарь М.П., Панин С.В., Коваль А.В., Ободовский Е.С. Структурные уровни деформации внутреннеокисленной меди со слоистой внутренней структурой // Физ. мезомех. - 2003. - Т. 6. - № 2. -С. 77-90.
21. Солоненко О.П., Михальченко А.А., Картаев Е.В., Бондарь М.П., Огава К., Шоджи Т., Танно М. Формирование сплэтов диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, при плазменном напылении термобарьеров // Физ. мезомех. - 2003. - Т. 6. - № 2. -С. 111-126.
22. Клименов В.А., Панин С.В., Балохонов Р.Р., Нехорошков О.Н., Кузьмин В.И., Ковалевская Ж.Г., Шмаудер З. Экспериментальное и теоретическое исследование мезоскопической деформации и разрушения при сжатии образцов малоуглеродистой стали с напыленными покрытиями, оплавленными в условиях мощных ультразвуковых колебаний // Физ. мезомех. - 2003. - Т. 6. - № 2. - С. 99110.
23. Макаров П.В. Солоненко О.П., Бондарь М.П., Романова В.А., Черепанов О.И., Балохонов Р.Р., Гришков В.Н., Лотков А.И., Евтушенко Е.П. Моделирование процессов деформации на мезоуровне в материалах с различными типами градиентных покрытий // Физ. мезомех. - 2002. - Т. 3. - № 2. - С. 49-63.
24. Плешанов В.С., Панин В.Е., Кобзева С.А. Кинетика полосовых мезоскопических структур и разрушение поликристаллов аусте-нитной хромоникелевой стали с протяженными макроконцент-
раторами напряжений // Физ. мезомех. - 2002. - Т. 5. - № 6. -С. 65-71.
25. Антипина Н.А. Механизмы пластической деформации и разрушения на мезомасштабном уровне поверхностно упрочненной хромистой стали / Дис. ... канд. техн. наук. - Томск: ИФПМ СО РАН, 1998. - 118 с.
26. Сизова О.В., Колубаев А.В., Ковешников В.И., Трусова Г.В., Тарасов С.Ю. Упрочняющая обработка опор скольжения буровых долот // Химическое и нефтяное машиностроение. - 1993. - № 4. -С. 25-27.
27. Панин С.В., Коваль А.В., Трусова Г.В., Почивалов Ю.И., Сизова О.В. Влияние геометрии и структуры границы раздела на характер развития пластической деформации на мезомасштабном уровне борированных образцов конструкционных сталей // Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. - № 2. - С. 99-115.
28. ПанинВ.Е., ЕгорушкинВ.Е., ХонЮ.А., Елсукова Т.Ф. Атом-вакан-сионные состояния в кристаллах // Изв. вузов. Физика. - 1982. -Т. 24. - № 12. - С. 5-28.
29. Панин В.Е. Новая область физики твердого тела // Изв. вузов. Физика. - 1987. - № 1. - С. 3-8.
30. Егорушкин В.Е., Панин В.Е., Савушкин Е.В., Хон Ю.А. Сильновозбужденные состояния в кристаллах // Изв. вузов. Физика. - 1987. -Т. 30. - № 1. - С. 9-33.
31. Хон Ю.А., Панин В.Е. Сильновозбужденные состояния и зарождение дефектов в зонах концентрации напряжений // ФТТ. - 1996. -Т. 38. - № 6. - С. 1767-1774.
32. Егорушкин В.Е., Мельникова Н. Электронный перенос в аморфных металлических сплавах. - Томск: Изд-во НТЛ, 2003. - 160 с.
33. Шаповалов В.И., Карпов В.Ю. // Открытия и изобретения. -1986.- № 31. - С. 3.
34. Progress in hydrogen treatment of materials / Ed. by V.A. Goltsov. -Donetsk: Coral Gables, 2001. - 543 p.
35. ТюменцевА.Н., Литовченко И.Ю., Пинжин Ю.П., КоротаевАД., СуриковаН.С., Лысенко О.В., Гирсова С.Л. Новая мода мезоуровня деформации механизмами динамических фазовых превращений в полях напряжений // Физ. мезомех. - 2003. - Т. 6. - № 2. - С. 1536.
Physical principles of mesomechanics of surface layers and internal interfaces in a solid under deformation
V.E. Panin, V.M. Fomin1, and V.M. Titov2
Institute of Strength Physics and Materials Science, SB RAS, Tomsk, 634021, Russia 1 Institute of Theoretical and Applied Mechanics, SB RAS, Novosibirsk, 630090, Russia
2 M.A. Lavrentyev Institute of Hydrodynamics, SB RAS, Novosibirsk, 630090, Russia
The paper presents the fundamental physical principles of mesomechanics of surface layers and internal interfaces in heterogeneous media under loading, which were developed within the Interdisciplinary Project of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, No. 45, 2000-2002. Surface layers and interfaces were classified as autonomous mesoscopic structural levels of deformation, which play a key functional role in the mechanical behavior of solids in various fields of external actions.
