Influence of size of strengthening incoherent particles on the formation of defects structure and strength properties of.pdf Введение Современное состояние науки требует создания новых материалов для использования в промышленности и военной технике. Актуальным остаётся применение композитов на основе металлической матрицы, упрочнённой второй фазой. В работе использовалась математическая модель пластической деформации скольжением дисперсно-упрочнённых материалов с алюминиевой матрицей и некогерентными недеформируемыми сферическими частицами [1-3], позволившая исследовать процессы деформационного упрочнения и эволюции деформационной дефектной среды [4- 8]. В модели предполагается, что все деформационные дефекты равномерно распределены в объёме деформируемого тела. Дислокационная подсистема включает матричные сдвигообразующие дислокации, которые накапливаются по границам зоны сдвига, кольца Орована [9-12], призматические петли [13-16], дипольные конфигурации [1, 17], которые формируются внутри зоны сдвига, вблизи некогерентных частиц. При этом начало формирования дислокационных дипольных структур определяется достижением некоторой критической плотности дислокаций , величина которой зависит от масштабных характеристик упрочняющей фазы [1]. Дефектная подсистема также включает точечные дефекты: межузельные атомы, вакансии и бивакансии [17], которые в процессе деформации взаимодействуют друг с другом и с дислокациями различного типа. Математическая модель включает уравнения баланса деформационных дефектов [18], а также дополнена уравнением, связывающим скорость деформации с приложенным воздействием и характеристиками дефектной среды [9]. Решение системы уравнений численными методами позволило получить зависимости плотностей дислокаций различного типа и напряжение течения от степени деформации. Начальные плотности дислокаций и концентрации точечных дефектов задавались согласно [3, 7]. Скорость деформации задавалось равной 10-3 с-1, температура - 293 К. Проведено теоретическое исследование поведения кривых течения и эволюции составляющих дислокационной подсистемы в процессе пластической деформации дисперсно-упрочнённых сплавов с алюминиевой матрицей, содержащих различное количество упрочняющих некогерентных частиц, размеры которых варьируются в диапазоне от нано- до микроразмеров. Результаты исследований Математическое моделирование проводилось для малой объёмной доли упрочняющих частиц (0.0001 %), при этом размеры частиц варьировались в диапазоне от нано- до микроразмеров ( нм). Прочностные свойства для дисперсно-упрочнённых кристаллических сплавов с некогерентными наноразмерными частицами были рассмотрены в работе [17]. Расчёты для сплавов с микроразмерными частицами (100-500 нм) показывают, что при возрастании размеров частиц все прочностные свойства (предел текучести, коэффициент деформационного упрочнения, предел прочности) уменьшаются (рис. 1, а). Вместе с тем монотонно уменьшаются и плотности дислокаций в призматических петлях (рис. 1, б) и в дипольных конфигурациях (рис. 1, в). Отметим, что в материалах с микроразмерными некогерентными частицами (в отличие от наноразмерных упрочняющих частиц [17]) дипольные дислокационные конфигурации при малой объёмной доле формируются практически с начальных степеней деформации. Появление диполей вблизи некогерентных частиц [1, 4] существенно уменьшает плотность дислокационных призматических петель: более чем на порядок по сравнению с плотностью дислокаций в дипольных конфигурациях (рис. 1, б, в). Рис. 1. Зависимость напряжения течения (а), плотности призматических петель вакансионного типа (б) и дислокаций в дипольных конфигурациях вакансионного типа (в) от степени деформации. Размер упрочняющих частиц, нм: 100 (кр. 1), 200 (кр. 2) и 500 (кр. 3) Рис. 2. Зависимость плотности дислокаций в дипольных конфигурациях (кр. 1), призматических петель (кр. 2) и сдвигообразующих дислокаций (кр. 3) от размера упрочняющих частиц. Степень деформации 0.2 В процессе пластической деформации материала с наноразмерными частицами формирование дислокационных диполей ведёт к быстрому росту их плотности, в результате чего плотность дислокаций в дипольных конфигурациях становится больше плотности дислокаций в призматических петлях на порядок (рис. 2). С другой стороны, дислокации, составляющие дипольную структуру, в процессе пластической деформации могут переходить в разряд сдвигообразующих дислокаций [1, 3], в результате чего растёт плотность последних. При увеличении размеров частиц от нано- до микромасштабных (рис. 2, кривые 1, 2) плотности призматических петель и дислокационных диполей заметно уменьшаются. Плотность сдвигообразующих дислокаций с ростом размера частиц увеличивается в наноразмерной области (рис. 2, кривая 3), а в микроразмерной - уменьшается. Такое «аномальное» поведение кривой обусловлено появлением вблизи наноразмерных частиц большого количества дислокационных диполей (рис. 2, кривая 1), часть которых трансформируется в сдвигообразующие дислокации [1, 3, 7, 17]. При увеличении размеров частиц наблюдается резкое уменьшение плотности дислокаций в дипольных конфигурациях, что сопровождается аналогичным уменьшением плотности сдвигообразующих дислокаций и, в свою очередь, согласуется с процессом взаимного превращения диполей и сдвигообразующих дисло- каций. В материалах с малой объёмной долей упрочняющей фазы формирование призматических петель вблизи частиц существенно затормаживается. Плотность дислокаций в призматических петлях при увеличении размера частиц заметно уменьшается по сравнению с плотностью сдвигообразующих дислокаций и дислокационных диполей (рис. 2). Таким образом, при всех исследованных размерах некогерентных частиц доминирующий вклад в плотность дислокаций и, соответственно, в напряжение течения вносят два типа дислокаций: дислокационные диполи и сдвигообразующие дислокации, плотности которых сопоставимы и достаточно высоки, порядка 1014 м-2. Рис. 3. Зависимость напряжения течения от размера упрочняющих частиц. Степень деформации 0.2 Поведение напряжения течения в зависимости от величины размера частиц (рис. 3) соответствует изменению плотности дислокаций в материале ( ) в зависимости от размера частиц. Рис. 4. Кривые течения дисперсно-упрочнённого сплава с частицами размером, нм: 10 (кр. 1), 20 (кр. 2) и 50 (кр. 3) Сравнение кривых течения дисперсно-упрочнённых сплавов с некогерентными частицами разных размеров при одинаковой объёмной доле показывает, что на стадии накопления призматических петель при возрастании размера частиц механические свойства материала уменьшаются (рис. 1 и 4). В сплаве с микроразмерными частицами (рис. 1) наряду с призматическими петлями одновременно формируются дипольные конфигурации вблизи частиц. Плотности дислокаций и в призматических петлях, и в диполях невелики, так что в материалах с микромасштабными упрочняющими частицами формируются небольшие прочностные свойства в процессе пластической деформации: МПа. В сплаве с наноразмерными частицами механические свойства могут быть выше на стадии формирования дипольных дислокационных структур: МПа (рис. 4). На стадии накопления призматических петель в сплаве с наноразмерными частицами явление трансформации призматических петель в сдвигообразующие дислокации затруднено в силу малых размеров призматических петель. Как следствие, плотность сдвигообразующих дислокаций на этой стадии возрастает очень слабо (рис. 5, а, кривая 1). При появлении дислокационных дипольных структур в материале (рис. 5, б, кривые 2, 3) их плотность начинает заметно расти. В зависимости от размера частиц диполи начинают формироваться при разных степенях деформации (например, при степени деформации а = 0.1 в материале с частицами диаметром 20 нм). В соответствии с началом формирования дипольных структур в зоне сдвига увеличивается плотность сдвигообразующих дислокаций, что ещё раз подтверждает наличие трансформации части диполей в сдвигообразующие дислокации. Рис. 5. Зависимость плотности сдвигообразующих дислокаций (а) и дислокаций в дипольных конфигурациях (б) от степени деформации в сплаве с упрочняющими частицами размером, нм: 10 (кр. 1), 20 (кр. 2) и 50 (кр. 3) Выводы Таким образом, математическое моделирование процессов пластического сдвига с учётом основных физических закономерностей формирования дефектных структур различного типа в дисперсно-упрочнённом кристаллическом сплаве на основе алюминия, деформированном при Т = = 293 К и содержащем малое количество (0.0001 %) упрочняющих дисперсных частиц при вариации размеров этих частиц от нано- до микроразмеров, позволяет сделать следующие выводы: • Управляющим параметром, определяющим типы дефектных структур в зоне сдвига и их влияние на формирование прочностных и механических свойств, является размер упрочняющих частиц. Формирующиеся дислокационные структуры - сдвигообразующие дислокации, призматические петли или дипольные конфигурации - появляются в различной последовательности в процессе пластической деформации. • Доминирующими дислокационными структурами в материале с самыми мелкими частицами ( нм) являются сдвигообразующие дислокации и призматические петли, в материале с частицами размером нм - сдвигообразующие дислокации и призматические петли до степени деформации а = 0.1, а затем - дипольные конфигурации. При размере упрочняющих частиц нм в самом начале пластической деформации в зоне сдвига присутствуют сдвигообразующие дислокации и призматические петли, а уже при степени деформации а = 0.02 добавляются диполи и их плотность становится выше плотности призматических петель. В материале с более крупными частицами ( нм) практически одновременно в зоне сдвига формируются все указанные типы дислокаций. • В диапазоне наноразмерных упрочняющих частиц увеличение размера частиц ведёт к уменьшению прочностных свойств материала на стадии деформации, когда в дислокационной подсистеме присутствуют только сдвигообразующие дислокации и призматические петли. С появлением в составе дислокационной структуры диполей прочностные свойства материала увеличиваются. Причём, чем меньше размер частиц, тем большая скорость увеличения плотности дислокаций наблюдается в дипольных конфигурациях. • В диапазоне микроразмерных упрочняющих частиц ( нм) прочностные свойства материала ослабляются с ростом размера частиц в пределах одинаковой их объёмной доли. • Максимально высокие прочностные свойства формируются в материале с наноразмерными некогерентными частицами нм, здесь в составе дислокационной структуры появляются дипольные конфигурации, плотность которых быстро растёт в процессе пластической деформации.

Скачать электронную версию публикации