О нарушении кристаллического порядка в зоне локализации деформации в кристаллических материалах при высокоэнергетическом воздействии Текст научной статьи по специальности «Физика»

О нарушении кристаллического порядка в зоне локализации деформации в кристаллических материалах при высокоэнергетическом воздействии

Ив.С. Коноваленко, К.П. Зольников1, С.Г. Псахье1

Томский государственный университет, Томск, 634050, Россия 1 Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия

Показано, что в области градиента скоростей возникают «растягивающие» напряжения, которые приводят к локальному увеличению атомного объема. Это, в свою очередь, вызывает изменение кристаллического порядка в рассматриваемой области. Функция радиального распределения нагружаемой области после релаксации аналогична функции радиального распределения аморфного материала. Показана возможность «закалки» структурных изменений решетки в зоне градиента скоростей.

1. Введение

Хорошо известно, что при динамическом нагружении материалов со сложной структурой может происходить формирование зон локализации деформации [16]. В работах Ю.И. Мещерякова [1-4] методом лазерной интерферометрии изучался отклик тыльной поверхности образцов при прохождении ударных волн. Результаты исследований показали, что в процессе распространения ударной волны в материале формируются полосы динамической локализации деформации. После прохождения ударных волн в области полос локализованных деформаций образовывались так называемые белые не-травящиеся полосы. Рентгеноструктурный анализ показал, что структура белых полос разупорядочена и отличается от структуры соседних областей. Одно из объяснений этому эффекту основано на предположении о локальном плавлении. В работе [5] показано, что наличие градиента скорости в слабосвязанной гранулированной среде может приводить к локальному разуплотнению среды, что является следствием возникновения так называемой «подъемной силы».

Для изучения возможности реализации подобного эффекта в кристаллических материалах в настоящей работе исследовалось изменение их структуры в зонах градиента скоростей. Исследовалась также структура в моделируемом кристаллите после высокоскоростной «закалки».

2. Описание схемы нагружения

В настоящей работе методом молекулярной динамики производилось моделирование кристаллита меди, содержащего более 6000 атомов, в условиях локально заданного градиента скоростей. Форма образца соответствовала прямоугольному параллелепипеду (рис. 1). Кристаллит имел следующие размеры: вдоль осей ОХ и ОУ — 34.155 ат. ед. и вдоль направления OZ — 409.86 ат. ед. Вдоль осей ОХ и ОУ были использованы периодические граничные условия, вдоль оси ОZ — условия свободной поверхности. В средней части образца (контрольная ячейка), равной 1/3 полной длины моделируемого фрагмента, задавался градиент скоростей вдоль оси ОХ (рис. 1). Компоненты скоростей ато-

© Коноваленко Ив.С., Зольников К.П., Псахье С.Г, 2002

Рис. 1. Вид исходного моделируемого кристаллита и схема нагружения

мов расчетной ячейки вдоль осей ОУ и ОZ рассчитывались из решения уравнений движения. Вычисления проводились для случая, когда максимальное значение атомной скорости ¥тах в центре контрольной ячейки составляло 100 м/с и линейно уменьшалось до нуля к краям ячейки.

3. Анализ полученных результатов

Контрольная ячейка до нагружения имела идеальную кристаллическую структуру и ее проекции в направлении [100] в различные моменты времени приведены на рис. 2. Из рисунка видно, что нагружение моделируемого кристаллита с вышеописанным распределением атомных скоростей приводит к нарушению его кристаллического порядка.

Функции радиального распределения для контрольной ячейки в различные моменты времени приведены

^ ^ » %» & & ^ ^ ^ & &> & & 4» С» & «* ^ & Ф *« ^ *»«2 &> & &

*№«>**>*>(»&&& «И* ««ОД««

46 & & Ч» & ^ Ф & *> % « &> « & & «б» ^ *$? Ф &? & &< в» в» &' $ & $ & ^ 6 * «г & ^ %»«> &

2 о X к

л

с; X

го ш

с;

ш

го

о. ш

к =г о. с о го

X о.

>ч в

К, ат. ед.

2 о X к

л

с; X

го ш

с;

ш

го

О- 0)

к =г О. С О ГО

X О.

> в

К, ат. ед.

Рис. 3. Функции радиального распределения контрольной ячейки в различные моменты времени: 50000-ый шаг интегрирования (а); после релаксации (б) (Я — межатомное расстояние)

на рис. 3. Из рисунка видно, что в нагружаемой области произошло нарушение кристаллического порядка. Следует отметить, что в процессе нагружения второй пик у функции радиального распределения имеет тенденцию к раздвоению (рис. 3, а), а после снятия нагрузки и релаксации это раздвоение становится отчетливо выраженным (рис. 3, б). Следовательно, релаксационные процессы приводят к «закалке» структурных изменений решетки, сформировавшихся в зоне градиента.

Рис. 2. Проекция атомной структуры контрольной ячейки в направлении [100] в различные моменты времени: исходная структура (а); 20 000-ый шаг интегрирования (б); 50 000-ый шаг интегрирования (в)

Рис. 4. Изменение объема моделируемого кристаллита в зависимости от шага интегрирования

Следует отметить, что вышеописанное нагружение моделируемого кристаллита приводит к увеличению его объема. Зависимость изменения данной величины от времени (количества шагов интегрирования) приведена на рис. 4. Из рисунка видно, что зависимость имеет вид затухающих осцилляций, которые выходят на некоторое насыщение. Это насыщение соответствует увеличению объема образца примерно на 4 %. Такое поведение кристаллита обусловлено возникновением в зоне градиента скоростей растягивающих напряжений, приводящих к локальному увеличению атомного объема.

Результаты расчетов данной работы качественно согласуются как с экспериментальными данными [1-4], так и с расчетами из других работ [5, 6].

4. Выводы

Наличие локально сформированного градиента скоростей в материалах с кристаллической структурой приводит к возникновению в них растягивающих напряжений, которые, в свою очередь, вызывают увеличение атомного объема и нарушения кристаллического порядка в зоне градиента скоростей. Релаксационные процес-

сы после снятия нагрузки позволяют «закалить» структурные изменения решетки в данной области.

Литература

1. Likhachev V.A., Mescheryakov Yu.I., Divakov A.K., Andreev P.M., Belyaev S.K., Smolina L.A. About structure levels of deformation and fracture in dynamic loading // Inst. Reports. Physics. - 1984. - V. 6. -P. 102-106.

2. Mescheryakov Yu.I., Divakov A.K. Multiscale kinetics of microstructure

and strain-rate dependence of materials // Dymat Journal. - 1994. -V. 1. - No. 4. - P. 271-287.

3. Tomilin M.G., Mescheryakov Yu.I., Atroshenko S.A., Zhigacheva N.I. LC-vision: the dynamically induced structure deformation modes in metals // Mol. Liquid Cryst. - 1994. - V. 251. - P. 343-349.

4. Хантулева T.A., Мещеряков Ю.И. Кинетика и нелокальная гидродинамика формирования мезоструктуры в динамически деформируемых средах // Физ. мезомех. - 1999. - Т. 2. - № 5. - С. 5-17.

5. Гольдин С.В., Псахье С.Г, Дмитриев А.И., Юшин В.И. Переупаковка структуры и возникновение подъемной силы при динамическом нагружении сыпучих грунтов // Физ. мезомех. - 2001. -Т. 4. - № 3. - С. 97-103.

6. Дмитриев А.И., Зольников К.П., Псахье С.Г, Гольдин С.В., Ля-ховН.З., Фомин В.М., Панин В.Е. Физическая мезомеханика фрагментации и массопереноса при высокоэнергетическом контактном взаимодействии // Физ. мезомех. - 2001. - Т. 4. - № 6. - С. 57-66.