Релаксационные процессы в пост-нагруженном материале Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Релаксационные процессы в пост-нагруженном материале

С.Г. Псахье, Т.Ю. Уваров, К.П. Зольников, К.И. Андержанов1, Г.Е. Руденский

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

Методом молекулярной динамики проведено изучение поведения композитного материала в области, содержащей недеформируемые включения, после прекращения нагружения. Расчеты показали, что в процессе релаксации формируются волны атомных смещений, движущиеся вдоль границ раздела с несоразмерной деформацией. Показано, что в пост-нагруженном материале релаксационные процессы приводят к формированию блочной структуры, причем углы разворота фрагментов могут достигать десятков градусов.

Изучение микромеханизмов зарождения и развития элементарных актов пластической деформации в приповерхностных областях материалов и вблизи границ раздела представляет важную задачу физики деформируемого твердого тела. Так, из работ [1-3] следует, что структурные дефекты зарождаются в поверхностных слоях материала. Моделирование, проведенное в [4], показало, что при динамическом нагружении элементы пластической деформации также формируются вблизи свободной поверхности и затем распространяются вглубь кристалла. При динамическом нагружении аккомодационные процессы в материале могут отставать от внешнего воздействия. Это связано с тем, что закачиваемая энергия выводит нагружаемую систему из состояния равновесия и для достижения новой равновесной конфигурации (или возврата в исходное состояние) требуется время, определяемое скоростью релаксационных процессов. Это приводит к тому, что аккомодационные процессы (как упругие смещения, так и структурные перестройки) продолжают идти в материале и после прекращения активного нагружения. В связи с этим возникает вопрос об "инерционности" начавшегося процесса перестройки структуры. Исследованию данной проблемы и посвящена настоящая работа, в которой исследовались особенности развития пластической деформации на стадии релаксации после прекращения внешнего нагруже-ния композиционного материала в области между упрочняющими слабодеформируемыми включениями.

Моделировался кристаллит меди, содержащий более 8 000 атомов. Образец имел форму параллелепипе-

да, ребра которого были сонаправлены с кристаллографическими направлениями [100], [010] и [001] (рис. 1). Кристаллит состоял из трех областей, две из которых имитировали недеформируемые включения (на рис. 1 они выделены более темным цветом). Такая модель позволяет имитировать поведение фрагментов композиционных материалов с жесткими включениями на микроскопическом уровне. Для исключения влияния симметрии образца и сброса напряжений, возникающих при одноосном растяжении, на одной из свободных поверхностей была создана "затравочная" трещина (рис. 1).

Расчеты проводились на основе метода молекулярной динамики [5-7] с использованием многочастичных потенциалов взаимодействия для меди, полученных в рамках метода погруженного атома [8, 9]. Вдоль направления [001] (рис. 1) моделировались периодические граничные условия, вдоль [100] — свободные поверхности. Растяжение проводилось вдоль направления [010], при этом одна из недеформируемых областей (в дальнейшем будем называть ее захват) двигалась со скоростью 40 м/с, а другая (подложка) — покоилась.

После растяжения материала на 10 % движение захвата было остановлено. При этом в областях с несоразмерной деформацией (вдоль границ с недеформируе-мыми областями) возникли согласованные коллективные смещения атомов (рис. 2). На границе с подложкой это приводит к формированию волны смещений, распространяющейся от свободной поверхности вглубь материала. Следует отметить, что атомные траектории лежат в основном в плоскостях (010). Структура внутри

© Псахье С.Г., Уваров Т.Ю., Зольников К.П., Андержанов К.И., Руденский Г.Е., 2000

[Ю0] Рис. 1. Схема моделируемого кристаллита

волны смещений (рис. 3) соответствует ГЦК-структуре, повернутой на 17° вокруг оси [010]. Анализ результатов показал, что длина волны смещений составляла около 80 атомных единиц длины. На рис. 3 волны смещений обведены линиями.

Отметим, что на границе с захватом вблизи свободной поверхности начинаются согласованные коллективные атомные смещения, которые приводят к формированию блока, который имеет ГЦК-структуру, повернутую вокруг оси [010] на 21°. Размеры данного блока увеличиваются за счет "подстраивания" к нему окружающих областей (рис. 4). Характерно, что в оставшейся части материала формируется другой блок, со структурой, также соответствующей ГЦК, но повернутый на -25° (т. е. в направлении, противоположном первому блоку) относительно оси [010]. Сформировавшиеся блоки удалены друг от друга на расстояние 3+5 параметров решетки, а межблочная область характеризуется некристаллической структурой.

Результаты расчетов показали, что процесс релаксации структуры и установление квазиравновесного состояния в значительной степени определяются величиной деформации. В частности, при растяжении образца на 13 % волны смещений одновременно формировались на границах материала с подложкой и захватом. Как и в предыдущем случае, внутри волн материал имел структуру, соответствующую ГЦК и также повернутую относительно исходной на 17° вокруг оси [010].

На последующем этапе в материале сформировались три блока со структурой, соответствующей ГЦК. Один блок был повернут относительно исходной структуры на 20° (рис. 5, а), а второй — на 38° вокруг оси [010] (рис. 5, б). Третий блок имел такую же ориентацию, как и структура в материале до нагружения. Следует отметить, что формирование данных блоков происходит не путем разворота областей материала как целого, а как релаксационный процесс, сопровождающийся

значительными согласованными коллективными смещениями атомов. Эти смещения приводят к тому, что размер блока, показанного рис. 5, а, увеличивается за счет "подстраивания" окружающих атомов. Другой блок, расположенный в середине моделируемого кристаллита (рис. 5, б), сформировался в результате слияния нескольких менее крупных фрагментов.

Таким образом, проведенные расчеты показали, что в кристаллите аккомодационные процессы после прекращения растяжения сопровождаются формированием

Рис. 2. Движение волны смещений в плоскости (010) на границе деформируемого материала и подложки. Показаны атомные траектории за равные отрезки времени: (4.0+4.5) • 105 (а); (4.5+5.0) • 105 (б); (5.0+5.5) • 105 (в); (5.5+6.0) • 105 а.е. (г)

Рис. 3. Структура внутри волны смещений

волн атомных смещений, распространяющихся от свободной поверхности вглубь кристалла. Это приводит к тому, что коллективные смещения атомов вызывают разориентацию отдельных областей материала. На следующем этапе происходит формирование и рост блоков, который осуществляется двумя механизмами: а) путем присоединения к одному из фрагментов приграничных атомов, б) слиянием фрагментов, сопровождающимся подстройкой ориентации. Следует отметить, что разво-

роты блоков происходят, как правило, относительно оси [010], совпадающей с направлением нагружения. При этом углы разворотов фрагментов относительно оси [010] могут достигать десятков градусов. Эволюция к равновесной конфигурации в пост-нагруженном кристалле может развиваться различными путями в зависимости от особенностей моделируемой структуры (геометрии образца, наличия границ раздела и т.д.), а также величины и характера внешнего воздействия.

б

« ««се*«•*««***»<.* в «сееес е в * в в в в « с ««

Рис. 4. Структура образца после релаксации (при различных углах зрения) при растяжении на 10 %

Литература

1. Панин В.Е., Гриняев Ю.В., Елсукова Т.Ф., Иванчин А.Г. Структурные уровни деформации твердых тел // Изв. вузов. Физика. -1982. - Вып. 25. - № 6. - С. 5-27.

2. Лихачев В.А., Панин В.Е., Засимчук Е.Э. и др. Кооперативные деформационные процессы и локализации деформации. - Киев: Нау-кова думка, 1989. - 320 с.

3. Панин В.Е. Основы физической мезомеханики // Физ. мезомех. -

1998. - Т. 1. - № 1. - С. 5-22.

4. Псахье С.Г., Уваров Т.Ю., Зольников К.П. О новом механизме гене-

рации дефектов на границах раздела. Молекулярно-динамическое моделирование // Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. - № 3. - С. 69-71.

5. Псахье С.Г., Зольников К.П., Коростелев С.Ю. О нелинейном от-

клике материала при высокоскоростной деформации. Атомный уровень // Письма в ЖГФ. - 1995. - Т. 21. - Вып. 13. - С. 1-5.

6. Psakhie S.G., Korostelev S.Yu., Negreskul S.I. et al. Vortex mechanism

of plastic deformation of grain boundaries. Computer simulation // Phys. Status Solidi. B. - 1993. - V. 176. - P. 41-44.

7. Псахъе С.Г., Зольников К.П., Сараев Д.Ю. Нелинейные эффекты при динамическом нагружении материала с дефектными областями // Письма в ЖТФ. - 1998. - Т. 24. - Вып. 3. - С. 42-46.

8. Берч А.В., Липницкий А.Г., Чулков Е.В. Поверхностная энергия и многослойная релаксация поверхности ГЦК-переходных металлов // Поверхность. - 1994. - № 6. - С. 23-31.

9. Eremeev S.V, Lipnitskii A.G., Potekaev A.I., and Chulkov E.V. Diffusion

activation energy of point defects at the surfaces of FCC metals // Physics of Low-Dimensional Structures. - 1997. - No. 3/4. - P. 127-133.