CC BY
10
УДК 539.5 DOI: https://doi.org/10.34680/2076-8052.2020.2(118).43-44
ОСОБЕННОСТИ НЕУПРУГИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ДЕФОРМАЦИИ СПЛАВОВ
В.В.Малашенко, Т.И.Малашенко*
FEATURES OF INELASTIC PROCESSES UNDER HIGH-STRAIN-RATE DEFORMATION OF ALLOYS
V.V.Malashenko, T.LMalashenko*
Донецкий физико-технический институт им. ААТалкина, [email protected] *Донецкий национальный технический университет
Исследована динамика дислокаций в состаренных бинарных сплавах при высокоэнергетических воздействиях. Получена аналитическая зависимость динамического предела текучести сплава от плотности дислокаций. Проанализирован эффект коллективного взаимодействия движущихся дислокаций при высокоскоростной пластической деформации. Исследовано влияние коллективного взаимодействия на динамический предел текучести сплава. Показано, что при определенных условиях динамический предел текучести может убывать при увеличении плотности дислокаций. Ключевые слова: дислокации, точечные дефекты, высокоскоростная деформация, зоны Гинье—Престона
The dynamics of dislocations in aged binary alloys under high-energy impacts is investigated. An analytical dependence of the dynamic yield stress of the alloy on the dislocation density is obtained. The collective interaction of moving dislocations at high-strain rate deformation is analyzed. The effect of collective interaction on the dynamic yield strength of the alloy is investigated. It is shown that under certain conditions the dynamic yield strength may decrease with increasing dislocation density. Keywords: dislocations, point defects, high strain rate, Guinier—Preston zones
Важность изучения механических свойств металлических сплавов обусловлена их повсеместным использованием в промышленности. В последние годы все более широкое применение находят процессы, связанные с интенсивным воздействием на функциональные материалы. Это высокоскоростная обработка и формовка материалов, создание ударостойких материалов, воздействие лазерными импульсами и корпускулярными потоками высокой мощности, динамическое канально-угловое прессование [1-4]. Высокоскоростная деформация отличается от квазистатической тем, что под влиянием высокоэнергетических воздействий дислокации, являющиеся основными носителями пластической деформации, переходят в режим динамического надбарьерного скольжения. Динамическое торможение дислокаций различными дефектами структуры во многом определяет такие важные свойства функциональных материалов, как прочность и пластичность, и зависит от динамических коллективных эффектов, которые не работают в случае квазистатических деформаций. В результате зависимость механических свойств от концентрации примесей и плотности дислокаций может существенно отличаться от аналогичных зависимостей для квазистатической деформации. В частности, при низких скоростях деформации динамический предел текучести в соответствии с соотношением Тейлора возрастает пропорционально квадратному корню из плотности дислокаций. В случае высокоскоростной деформации при определенных условиях повышение плотности дислокаций приводит к снижению предела текучести, что наблюдалось экспериментально. В настоящей работе в рамках развитой нами теории динамического взаимодействия структурных дефектов [5-8] получено аналитическое выражение предела текучести сплава и объяснено снижение этого предела при возрастании плотности дислокаций.
Пусть бесконечные краевые дислокации совершают скольжение под действием постоянного внешнего напряжения ст0 в положительном направлении оси ОХ с постоянной скоростью v в кристалле, содержащем хаотически распределенные точечные дефекты и зоны Гинье—Престона. Зоны Гинье—Престона будем считать одинаковыми, имеющими радиус R и распределенными случайным образом в плоскостях параллельных плоскости скольжения дислокации XOZ.
Линии дислокаций параллельны оси ОZ, их векторы Бюргерса Ь = (Ъ, 0, 0) одинаковы и параллельны оси ОХ.
Динамический предел текучести состаренного бинарного сплава определяется выражением
Ст = стг +стс +стй. (1)
Здесь стг — слагаемое, определяемое соотношением Тейлора
стг = а^Ъд/р, (2)
где ц — модуль сдвига, р — плотность дислокаций, а — безразмерный коэффициент порядка единицы. те — вклад силы динамического торможения дислокации зонами Гинье—Престона, т й — вклад силы торможения точечными дефектами (атомами второго компонента).
Воспользовавшись результатами теории динамического взаимодействия структурных дефектов, вычислим вклады зон Гинье—Престона и атомов второго компонента по формуле
О = Гй| • |стй(ф|22 - Ю2^г)), (3) 8п2т 1 1
где ) — спектр дислокационных колебаний, п — объемная концентрация соответствующих дефектов.
Нас интересует случай высокой плотности дислокаций (р = 1015м~2и выше). При такой плотности именно коллективное взаимодействие дислокаций вносит главный вклад в формирование спектральной щели, которая в этом случае имеет вид
Д = сд/р. (4)
Вклад зон Гинье—Престона определяется следующим выражением
п0 ^ЪR
ctg =
2(1 - Y)2Vp'
(5)
Здесь па — объемная концентрация зон Гинье—Престона, у — коэффициент Пуассона.
Аналитическое выражение для вклада атомов второго компонента в рассматриваемом нами случае имеет вид
~ и nd
СТ d = И-^. p2b5c
(6)
Здесь па — безразмерная концентрация атомов второго компонента, % — параметр их размерного несоответствия, е — скорость пластической деформации.
Наиболее интересным является случай больших значений плотности дислокаций и концентраций зон Гинье—Престона: р = 1015 -1016м~2, па = 1023 -1024м~3. Выполним численные оценки основных вкладов в динамический предел текучести сплавов. Для значений
р = 5 • 1015м~2, Ъ = 4 •10~10 м, R = 4•Ш^м, па = 10~4,
X
= 10-1, с = 3 -103м/с, nG = 1023м-3, s = 106c-1 по-
лучим следующие оценки порядка величины: стг = 108Па, % = 108Па, = 105Па.
При таких значениях величин динамический предел текучести является убывающей функцией плотности дислокаций. С точки зрения теории динамического взаимодействия структурных дефектов этот факт объясняется следующим образом. Механизм диссипации дислокационной энергии в случае высокоскоростной деформации заключается в необратимом переходе кинетической энергии поступательного движения дислокации в энергию ее изгибных колебаний в плоскости скольжения, которые возникают при взаимодействии дислокаций с другими дефектами структуры. Динамика дислокаций при таком механизме диссипации зависит от вида спектра дислокационных колебаний, в первую очередь от наличия щели в дислокационном спектре. При высокоскоростной деформации плотность дислокаций значительно возрастает и
может достигать значений р = 1015 -1016 м . Благодаря этому именно взаимодействие дислокаций между собой вносит главный вклад в формирование щели в спектре дислокационных колебаний. Наличие такой щели означает, что дислокация совершает колебания в параболической потенциальной яме, перемещающейся по кристаллу вместе с ней. Увеличение плотности дислокаций приводит к увеличению щели, т.е. углублению потенциальной ямы, которая ограничивает амплитуду дислокационных колебаний, снижая тем самым
эффективность динамического торможения, в результате чего динамический предел текучести тоже убывает. Такое убывание действительно наблюдалось в экспериментальной работе [9].
1. Канель Г.И., Зарецкий Е.Б., Разоренов С.В., и др. Необычные пластичность и прочность металлов при ультракоротких длительностях нагрузки // УФН. 2017. Т.187. №5. С.525-545.
2. Batani D. Matter in extreme conditions produced by lasers // EPL. 2016. V.114. №6. P.65001(1-7).
3. Smith R.F., Eggert J.H., Rudd R.E. et al. High strain-rate plastic flow in Al and Fe Collins // Journal of Applied Physics. 2011. V.110. P. 123515(1-11).
4. Tramontina D., Bringa E., Erhart P., et al. Molecular dynamics simulations of shock-induced plasticity in tantalum // High Energy Density Physics. 2014. V.10. №1. P.9-15.
5. Малашенко В.В. Влияние зон Гинье—Престона на концентрационную зависимость предела текучести состаренных двухкомпонентных сплавов в условиях высокоскоростной деформации // ФТТ. 2019. Т.61. №10. С.1845-1848.
6. Варюхин В.Н., Малашенко В.В. Динамические эффекты в дефектной системе кристалла // Известия РАН. Серия физическая. 2018. Т.82. №9. С.1213-1218.
7. Malashenko V.V. Dynamic drag of dislocation by point defects in near-surface crystal layer // Modern Phys. Lett. B. 2009. V.23. №16. P.2041-2047.
8. Malashenko V.V. Dynamic drag of edge dislocation by circular prismatic loops and point defects // Physica B: Phys. Cond. Mat. 2009. V.404. №21. P.3890-3893.
9. Syarif J., Nakashima K., Tsuchiyma T. and Takaki S. Effect of Solute Copper on Yield Strength in Dislocationstrengthened Steels // ISIJ International. 2007. V.47. №2. P.340-345.
References
1. Kanel G.I., Zaretsky E.B., Razorenov S.V., Ashitkov S.I., Fortov V.E. Neobychnyye plastichnost' i prochnost' metallov pri ul'trakorotkikh dlitel'nostyakh nagruzki [Unusual plasticity and strength of metals at the ultra-short load durations]. Uspekhi fizicheskikh nauk, 2017, vol.187, no.5, pp.525-545.
2. Batani D. Matter in extreme conditions produced by lasers. EPL, 2016, vol. 114, p. 65001(1-7).
3. Smith R. F.,J. H. Eggert, R. E. Rudd, D. C. Swift, C. A. Bolme, and G. W. High strain-rate plastic flow in Al and Fe Collins. Journal of Applied Physics, 2011, vol. 110, p. 123515(1-11)
4. Tramontina D., Bringa E., Erhart P., Hawreliak J., Germann T., Ravelo R., Higginbotham A., Suggit M., Wark J., Park N., Stukowski A., Tang Y. Molecular dynamics simulations of shock-induced plasticity in tantalum. High Energy Density Physics, 2014, vol. 10, pp. 9-15.
5. Malashenko V.V. Vliyaniye zon Gin'ye-Prestona na kontsen-tratsionnuyu zavisimost' predela tekuchesti sostarennykh dvukhkomponentnykh splavov v usloviyakh vysokoskorost-noy deformatsii [The effect of Guinier-Preston zones on the concentration dependence of the yield strength of aged two-component alloys under high-strain-rate deformation]. Fizika tverdogo tela, 2019, vol.61, no.10, pp.1845-1848.
6. Varyukhin V.N., Malashenko V.V. Dinamicheskiye effekty v defektnoy sisteme kristala [Dynamic Effects in a Defective System of Crystal]. Izvestiya RAN. Seriya fizicheskaya, 2018, vol.82, no.9, pp. 37-42.
7. Malashenko V.V. Dynamic drag of dislocation by point defects in near-surface crystal layer. Modern Phys. Lett. B., 2009, vol.23, no. 16, pp.2041-2047.
8. Malashenko V.V. Dynamic drag of edge dislocation by circular prismatic loops and point defects. Physica B: Phys. Cond. Mat., 2009, vol. 404, no.21, pp. 3890-3893.
9. Syarif J., Nakashima K., Tsuchiyma T. and Takaki S. Effect
of Solute Copper on Yield Strength in Dislocationstrength-
ened Steels. ISIJ International, 2007, v.47, no.2, pp.340-345.
