CC BY
43
УДК 5З9.З
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ВБЛИЗИ СИММЕТРИЧНЫХ ГРАНИЦ ЗЕРЕН НАКЛОНА В ИНТЕРМЕТАЛЛИДЕ №3А1
© Е.Г. Харина1*, Г.М. Полетаев2*, Р.Ю. Ракитин2), А.Н. Мартынов2*, М.Д. Старостенков2).
^ Кузбасская государственная педагогическая академия, г. Новокузнецк, Россия, e-mail: genphys@mail.ru, jane-ohara@yandex.ru 2) Алтайский государственный технический университет им И.И. Ползунова, г. Барнаул, Россия,
e-mail: genphys@mail.ru
Ключевые слова: молекулярная динамика; границы зерен; деформация; зернограничное проскальзывание; внутри-зеренное скольжение.
Методом молекулярной динамики исследуются структурные превращения вблизи симметричных границ зерен наклона <111> и <100> в МзА1 в условиях деформации сжатия-растяжения.
Границы зерен оказывают существенное влияние на деформационное поведение поликристаллов. Экспериментально установлено, что границы зерен и тройные стыки при микропластической деформации являются источниками дислокаций [1, 2]. По мнению многих исследователей, такое явление, как ползучесть, осуществляется при коррелированном действии зернограничного проскальзывания и внутризеренного скольжения [3]. Основным механизмом, отвечающим за сверхпластичность (явление аномально высокой пластичности ультрамелкозернистых металлов и сплавов), согласно [2-5], является зернограничное проскальзывание.
В настоящей работе рассматриваются результаты, полученные при исследовании методом молекулярной динамики механизмов пластической деформации вблизи симметричных границ зерен наклона <111> и <100> в интерметаллиде №3А1 в условиях одноосной деформации.
Интерметаллид №3А1 выделяется из ряда подобных упорядоченных сплавов уникальным свойством - положительной температурной зависимостью предела текучести. В связи с этим такие сплавы находят практическое применение в качестве жаропрочных и высокопрочных конструкционных материалов.
Границы наклона создавались посредством поворота двух кристаллов №зА1 относительно друг друга на угол разориентации 0 вокруг осей <111> или <100>. Получающийся расчетный блок обрезался по краям таким образом, чтобы он приобрел форму параллелепипеда и не содержал по краям пустот. В завершении проводилась динамическая релаксация структуры для сопряжения зерен, после которой расчетный блок охлаждался до 0 К. Созданные таким образом расчетные блоки использовались как стартовые в основном эксперименте. Количество атомов в расчетном блоке составляло 30000-50000. В используемой модели была введена декартова система координат: ось X была направлена перпендикулярно плоскости межзеренной грани-
цы вглубь зерна; ось У - вдоль границы зерна и перпендикулярно ядрам зернограничных дислокаций; ось 1 - вдоль ядер зернограничных дислокаций. На расчетный блок накладывались жесткие границы по X и по У и периодические по 1.
Одноосная деформация задавалась путем изменения соответствующих межатомных расстояний в стартовой конфигурации расчетного блока. В работе рассматривались деформации вдоль осей X, У и 1. Продолжительность молекулярно-динамических экспериментов составляла 0,1-0,2 нс, в течение которых температура расчетного блока оставалась постоянной. Температура во всех экспериментах задавалась равной 0,6Тпл, где Тпл - температура плавления рассматриваемого металла. В завершении компьютерного эксперимента, для исключения тепловых смещений атомов, проводилось охлаждение расчетного блока до 0 К. Для изучения атомных механизмов структурной перестройки использовались специальные визуализаторы, основными из которых являлись визуализатор смещений атомов относительно начальных положений и визуали-затор распределения потенциальной энергии.
Молекулярно-динамические исследования показали, что основными механизмами пластической деформации в расчетном блоке №зА1, содержащем границу зерен, являются внутризеренное скольжение и зернограничное проскальзывание. Вклад каждого из этих механизмов зависел от величины и направления стартовой деформации. При малых значениях деформации в основном реализовывалось зернограничное проскальзывание, при котором происходили смещения атомов вдоль границы зерен. Причем для границ <111> в процесс проскальзывания вовлекалось большее число атомов, и относительное смещение зерен протекало более интенсивно, чем в случае границ <100>. С увеличением величины стартовой деформации включался механизм внутризернного скольжения, которое заключалось в испускании дислокации с границы зерен (рис. 1). Пластическая деформация осуществлялась при этом
Рис. 1. Совместное действие внутризеренного скольжения и зернограничного проскальзывания в МзА1, содержащем симметричную границу зерен наклона <111> 0 = 16°, при стартовой деформации вдоль оси У 6у = 8 %. Отрезками показаны
смещения атомов, стрелками - направления сдвигов, пунктирным контуром - положение границы
посредством совместного действия зернограничного проскальзывания и внутризеренного скольжения. Сильная деформация сжатия вдоль осей У и Ъ приводила к расщеплению зернограничных дислокаций и миграции границы, а деформация растяжения, за счет увеличения избыточного свободного объема, приводи-
ла к образованию аморфной структуры в области границы зерен. При расщеплении зернограничной дислокации в бикристалле №3А1 в зерно испускалась частичная дислокация, в результате чего в зерне возникала антифазная граница.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дударев Е.Ф. Микропластическая деформация и предел текучести поликристаллов. Томск: Изд-во ТГУ, 1988. 256 с.
2. Гуткин М.Ю., Овидько И.А. Предел текучести и пластическая деформация нанокристаллических материалов // Успехи механики. 2003. № 1. С. 68-125.
3. Розенберг В.М. Ползучесть металлов. М: Металлургия, 1967. 276 с.
4. Гуткин М.Ю., Овидько И.А., Скиба Н.В. Зернограничное скольжение и эмиссия решеточных дислокаций в нанокристаллических материалах при сверхпластической деформации // ФТТ. 2005. Т. 47. № 9. С. 1602-1613.
5. Царегородцев А.И., Горлов Н.В., Демьянов Б.Ф., Старостенков М.Д. Атомная структура АФГ и ее влияние на состояние решетки вблизи дислокации в упорядоченных сплавах со сверхструктурой Ь12 // ФММ. 1984. Т. 58. № 2. С. 336-343.
Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.
Kharina E.G., Poletaev G.M., Rakitin R.Yu., Martynov A.N., Starostenkov M.D. The research of mechanisms of plastic deformation near symmetry tilt grain boundaries in intermetallide M3AI.
Structural transformations near symmetry tilt grain boundaries <111> and <100> in Ni3Al in conditions of deformation pressure-tension are studied by the method of molecular dynamics.
Key words: molecular dynamics; grain boundaries; deformation; grain boundary sliding; intergrain shift.
