Модель зернограничного проскальзывания при комбинированной пластической деформации со сдвигом
Рассмотрен вопрос зернограничного проскальзывания (ЗГП) в деформированных металлических субмикрокристаллических (СМК) материалах, полученных с применением комбинированной пластической деформации со сдвигом (КПДС). Показано, что при малых размерах зерен может реализоваться механизм ротационной неусто...
Saved in:
| Published in: | Физика и техника высоких давлений |
|---|---|
| Date: | 2008 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2008
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70426 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Модель зернограничного проскальзывания при комбинированной пластической деформации со сдвигом / Е.Г. Пашинская // Физика и техника высоких давлений. — 2008. — Т. 18, № 2. — С. 111-117. — Бібліогр.: 22 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859931316006420480 |
|---|---|
| author | Пашинская, Е.Г. |
| author_facet | Пашинская, Е.Г. |
| citation_txt | Модель зернограничного проскальзывания при комбинированной пластической деформации со сдвигом / Е.Г. Пашинская // Физика и техника высоких давлений. — 2008. — Т. 18, № 2. — С. 111-117. — Бібліогр.: 22 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Физика и техника высоких давлений |
| description | Рассмотрен вопрос зернограничного проскальзывания (ЗГП) в деформированных металлических субмикрокристаллических (СМК) материалах, полученных с применением комбинированной пластической деформации со сдвигом (КПДС). Показано, что при малых размерах зерен может реализоваться механизм ротационной неустойчивости, приводящий к быстрой эволюции границ и росту угла их разориентации в процессе КПДС.
Problem of grain-boundary slip (GBS) in deformed metallic submicrocrystalline (SMC) materials obtained using combined plastic deformation with shear is considered. It is shown that the rotation instability mechanism results in quick evolution of the boundaries and reorientation thereof during the combined plastic deformation with shear.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:08:21Z |
| format | Article |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 2
111
PACS: 61.72.–у
Е.Г. Пашинская
МОДЕЛЬ ЗЕРНОГРАНИЧНОГО ПРОСКАЛЬЗЫВАНИЯ
ПРИ КОМБИНИРОВАННОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
СО СДВИГОМ
Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина НАН Украины
ул. Р. Люксембург, 72, г. Донецк, 83114, Украина
Статья поступила в редакцию 12 февраля 2008 года
Рассмотрен вопрос зернограничного проскальзывания (ЗГП) в деформированных
металлических субмикрокристаллических (СМК) материалах, полученных с приме-
нением комбинированной пластической деформации со сдвигом (КПДС). Показано,
что при малых размерах зерен может реализоваться механизм ротационной не-
устойчивости, приводящий к быстрой эволюции границ и росту угла их разориен-
тации в процессе КПДС.
Пластическая деформация оказывает существенное влияние на микро-
структуру и свойства материалов. Однако материалы, подвергнутые дефор-
мации традиционными методами, обычно обладают пониженной пластично-
стью. Это является причиной роста интереса к развитию методов КПДС, по-
зволяющих формировать СМК-структуры с новыми физическими и механи-
ческими свойствами.
Хорошо известно, что медь в крупнокристаллическом состоянии имеет
предел текучести всего 250 MРa. Это позволяет проводить прокатку до
степени деформации 400%. В СМК-состоянии после кручения в нако-
вальнях Бриджмена указанные характеристики составляют 600 MPa и
5000% соответственно [1,2]. КПДС может привести к проявлению в ме-
таллах и сплавах микроструктурных особенностей и свойств, отличаю-
щихся от тех, которые выявляются при использовании традиционных ме-
тодов обработки. Полученные особенности структуры определяют одно-
временно высокие характеристики прочности и пластичности материала
непосредственно после деформации и приводят к значительному ресурсу
пластичности при последующем деформировании. Необычное механиче-
ское поведение, обнаруженное в некоторых металлах, подвергнутых
КПДС, свидетельствует о принципиальных изменениях механизма де-
формации после образования СМК-структуры. Именно поэтому материа-
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 2
112
лы в СМК-состоянии способны выдерживать значительные величины
пластической деформации до разрушения.
Принято считать, что в деформированных материалах движение дислока-
ций приводит к формоизменению кристалла в результате трансляционных
сдвигов [3,4], обусловливая упругое искажение решетки. В результате ре-
лаксации внутренних напряжений за счет макроскопических деформаций,
распространяющихся на значительный объем кристаллитов, может происхо-
дить изгиб и ротация кристалла. Современные представления о мезоскопи-
ческих процессах в структурообразовании при пластической деформации
[5,6] рассматривают роль изгибной моды в ходе фрагментации как предше-
ствующей ротационной. Высокая плотность дислокаций приводит к локаль-
ным изгибам кристаллических плоскостей и предопределяет размер буду-
щих фрагментов. Снятие напряжений и образование тонких границ фраг-
ментов практически означает переход к ротационной моде (поворотам на
дискретные углы).
При развитой КПДС такой переход происходит быстрее, чем при других
видах пластической деформации. Это обеспечивается вкладом плоскостей
скольжения, обычно не задействованных в процессе пластической деформации,
что приводит к интенсифицированному движению дефектов. За его счет осу-
ществляется быстрый сток дефектов в границы зерен, способствуя созданию
фасеток в границах, увеличивая их толщину и угол разориентации.
В СМК-металлах затрудняется зарождение и перемещение дислокаций,
что приводит к увеличению прочности. Если размеры границ зерен в поли-
кристалле окажутся меньше, чем характерные размеры источников дислока-
ций, то дислокационные механизмы пластичности могут быть заблокирова-
ны. Наличие мелких зерен может способствовать развитию других дефор-
мационных механизмов, например ЗГП.
Исследованиями [7–9] показано, что в случае формирования СМК-
структур методами КПДС этот специфический механизм деформации вно-
сит значительный вклад. Иными словами, в процессе КПДС в некоторых ус-
ловиях может реализоваться ЗГП, обычно фиксируемое в работах по изуче-
нию эффекта высокотемпературной сверхпластичности [10,11]. Считается,
что для достижения сверхпластичности в материалах на основе металлов
основным требованием является получение структуры, состоящей из очень
мелких зерен. Точный механизм ЗГП при сверхпластичности остается спор-
ным вопросом. Авторы работ [12–17] обращают внимание на то, что ЗГП
обеспечивается посредством кооперативного действия ряда зерен, следую-
щих по направлению максимального напряжения при сдвиге. Рассмотрим
этот фактор более подробно.
Известно [18], что основной причиной разрушения твердых тел является
накопление в них в процессе пластической деформации внутренних напря-
жений. Существует несколько каналов релаксации напряжений в кристалли-
тах. Например, формирование и эволюция дефектной структуры, приводя-
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 2
113
щей к росту напряжений, появлению пор и микротрещин, которые, разрас-
таясь до макротрещин, приводят материал к разрушению. Другим каналом
диссипации энергии может служить инволюционный путь – развитие про-
цессов динамических возврата, полигонизации и рекристаллизации. Третий
канал диссипации может обеспечить способность деформированных СМК-
структур активно изменять форму кристаллитов и разворачиваться под дей-
ствием внутренних напряжений. Последние, закручивая и изгибая кристалл,
будут тем самым ослабляться. В СМК-материалах осуществляется перерас-
пределение локальных высоких внутренних напряжений от отдельных зерен
на значительно больший объем, который охватывает области кристалла ха-
рактерных размеров (100–10000 зерен).
В настоящей работе ставится цель показать возможность развития ЗГП
при холодной деформации методами КПДС. Для СМК-материалов харак-
терным является то, что изменения прочностных свойств описываются кри-
выми насыщения при повышении степени деформации. Выявлено также от-
сутствие существенного деформационного упрочнения во время дальнейшей
холодной деформации металлов, обработанных методами КПДС [7,8,17,20].
Полученные экспериментальные данные позволяют полагать, что повышен-
ная пластичность металлов связана с развитием процессов ЗГП.
В условиях КПДС существует возможность частичной релаксации внут-
ренних напряжений путем осевого закручивания зерна и/или комплекса зе-
рен. Проведем оценку напряжений при приложении к кристаллу внешнего
крутящего момента и проанализируем, как это может отразиться на разви-
тии кооперативного ЗГП. При таком нагружении в кристалле возникают на-
пряжения, вызывающие вход в него дислокаций. Введенные дислокации
создают изгиб и кручение, чем снижают напряжения от внешнего момента.
При комбинированном нагружении с кручением возникают два вопроса:
дислокации какого знака входят в кристалл, и какой знак будет иметь кручение,
создаваемое ими, по сравнению с приложенным внешним моментом?
Необходимо отметить, что в настоящее время в такой постановке задачи
не решены, но в работе [19] рассмотрены аналогичные вопросы по отноше-
нию к нитевидным кристаллам. Хорошо известно, что последние имеют в
поперечном сечении размеры менее 1 μm и являются, в некотором смысле,
аналогом, модельным материалом для СМК-материалов [20]. Для нитевид-
ных кристаллов отношение объема свободной поверхности к внутреннему
объему кристалла составляет примерно 50 на 50%, к тому же эти кристаллы
характеризуются совершенством внутреннего объема. Для СМК-материалов
характерно такое же соотношение объемной доли зернограничной поверх-
ности и объема зерна. К тому же часто такие мелкие зерна отличаются ма-
лой плотностью дефектов. В связи с этим для модельной ситуации можно
представить СМК-материал как упаковку разориентированных нитевидных
кристаллов. Применим математический аппарат, разработанный [14,19,21] для
нитевидных кристаллов, к анализу СМК-материалов, подвергнутых КПДС.
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 2
114
Напряженное состояние, возникающее в кристалле при кручении, способ-
ствует зарождению в нем дислокаций, причем максимальные сдвиговые на-
пряжения соответствуют внешнему контуру сечения кристалла. При воздей-
ствии на кристалл крутящего момента согласно [19] можно записать
0M DΩ Ω > , (1)
где ΩM, ΩD – углы, создаваемые соответственно внешним моментом и дис-
локацией; ΩM и ΩD имеют один и тот же знак. Это означает, что зарождаю-
щаяся дислокация вызывает кручение в ту же сторону, что и кручение от
внешнего момента сил. При этом согласно [19] образуются такие дислока-
ции, что компоненты их тензора плотности, формирующие kzz-компоненту
тензора кривизны Ная, имеют один и тот же знак во всем кристалле. Подоб-
ные дислокации не смогут проходить в глубь кристалла, поскольку вызы-
ваемое ими кручение будет тогда менять знак, следовательно, они должны
скапливаться у поверхности кристалла. Но при смене направления внешнего
кручения за их счет обеспечивается активная аннигиляция дислокаций.
Произведем оценку величины угла кручения. Дж. Эшелби [22] показал,
что наличие аксиальных винтовых дислокаций в тонком стержне приводит к
появлению в нем необычного потенциального рельефа за счет закручивания
на определенный угол, обусловленного взаимодействием упругих полей
дислокаций с поверхностью.
Исходя из [18], можно получить следующее соотношение:
π ρ
18 36p
Nb b
dl
Ω = = , (2)
где Ω – угол кручения на единицу длины lр кристаллита; N – количество
дислокаций; b – модуль вектора Бюргерса; d – диаметр кристалла; ρ – плот-
ность дислокаций.
В работе [19] получено, что с точностью до знака угол упругого кручения
Ω для аксиальных винтовых дислокаций и дислокаций, линия которых пер-
пендикулярна оси кристалла, выражается в виде
ρ
2
b
Ω = . (3)
Как видно, формулы (2) и (3) совпадают с точностью до постоянного
множителя. Из этих формул можно получить для минимально определяе-
мого угла φ = 1′ при длине кристалла lp = 10–3 m, диаметре d = 20·10–6 m и
b = 3.84·10–10 m значение N, лежащее в пределах 10–100. Такое количество
дислокаций может испускаться одним источником в одиночную плоскость
скольжения [22]. Проведенные оценки позволяют сделать вывод о том, что
наблюдаемое в [19] макроскопическое кручение, которое на 2–4 порядка по-
вышает угол ϕ, должно быть вызвано соответствующим количеством дисло-
каций. При этом дислокации, приводящие к однонаправленному кручению,
должны иметь один знак для винтовой компоненты.
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 2
115
Формирование большого количества избыточных дислокаций одного
знака, очевидно, невозможно объяснить статистическими флуктуациями в
условиях равновероятного зарождения дислокаций разных знаков в кри-
сталле, ориентированном под множественное скольжение. Отсюда следует,
что характер процесса накопления дислокаций одного знака является стиму-
лированным и автокаталитическим. Пусть в процессе пластической дефор-
мации в СМК-материале появилась некоторая дислокационная неоднород-
ность, вызвавшая относительно небольшое упругое закручивание. Как сле-
дует из результатов [19], даже при равном нулю суммарном векторе Бюргер-
са всех дислокаций угол кручения не обязательно должен быть равен нулю:
2 2
ξ1
π
b
R R
⎛ ⎞Ω = −⎜ ⎟
⎝ ⎠
, (4)
где R – радиус кристалла; ξ – расстояние от дислокации до центра сечения.
С другой стороны,
4μ χ dzzk f
C
Ω = ∫ , (5)
где µ – модуль сдвига; 4 dC f= μ χ∫ – крутильная жесткость кристалла; χ –
функция кручения Прандтля; zzk – осевая компонента тензора Ная, усред-
ненная по элементам длины кристалла; df – элемент площади сечения кри-
сталла.
Как видно из выражений (4) и (5), угол кручения существенно зависит от
расположения дислокаций в кристалле. Наибольший вклад в кручение вносят
те дислокации, которые расположены ближе к середине поперечного сечения
кристаллита. Следовательно, даже при одинаковом числе дислокаций с проти-
воположными знаками винтовой компоненты в случае асимметричного распо-
ложения их относительно центра сечения кристаллита угол кручения будет от-
личен от нуля. Таким образом, вследствие небольшой дислокационной неодно-
родности кристаллит претерпевает слабое закручивание, что означает появле-
ние в нем напряжений кручения. Как следует из рассмотренного выше меха-
низма кручения, напряжения эти направлены таким образом, что будут облег-
чать зарождение и заход в кристаллит дислокаций того же знака, что и дисло-
кации, вызвавшие первоначальное закручивание. Это приводит к развитию ав-
токаталитического процесса увеличения угла разориентировки границ, совме-
щенному с активным стоком дефектов из поля зерна на границу. В результате
формируются мелкие зерна с малым количеством дефектов в их теле.
Необходимо подчеркнуть, что напряжения кручения, сопутствующие
пластической деформации растяжением или сжатием, определяют выбор
знака вновь образующихся дислокаций в условиях множественного сколь-
жения.
Рассмотренный выше механизм ЗГП, вскрывая природу сил, ответствен-
ных за его проявление, вместе с тем отвечает на вопрос о структурном уров-
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 2
116
не, на котором реализуется ротационная неустойчивость. Очевидно, что та-
кое кручение реализуется только в случае локализации деформации пре-
имущественно в одном месте. Анализ формул (4) и (5) показывает, что рота-
ционная неустойчивость в наиболее чистом виде проявляется в ограничен-
ных по размерам деформируемых объемах. При увеличении поперечных
размеров зерен происходит быстрое уменьшение угла закручивания Ω и на-
пряжений кручения. В результате величина этих напряжений может оказать-
ся недостаточной для того, чтобы обеспечить зарождение дислокаций толь-
ко с одним знаком винтовой компоненты. Таким образом, размер кристалли-
тов является определяющим фактором при реализации ротационной неус-
тойчивости.
Выводы. Показано, что зернограничное проскальзывание может обеспе-
чиваться механизмом ротационной неустойчивости, который реализуется
при очень малых размерах зерен. Вследствие дислокационной неоднородно-
сти кристаллит претерпевает слабое закручивание, обеспечивающее появле-
ние в нем напряжений кручения. Их направление облегчает зарождение и
вход в кристаллит дислокаций того же знака, что и дислокации, вызвавшие
первоначальное закручивание.
Таким образом, при продолжающейся деформации ЗГП приобретает ха-
рактер автокаталитического. Именно этот процесс лежит в основе аномаль-
но быстрого формирования новых границ зерен и их эволюции во время
комбинированной деформации с кручением (сдвигом), которая приводит к
увеличению угла разориентации. Рост размера зерен вызывает резкое
уменьшение угла закручивания напряжений кручения, вследствие чего
вклад ЗГП становится меньше.
1. Р.А. Андриевский, А.М. Глезер, ФММ 88, № 1, 50 (1999).
2. А.И. Гусев, УФН 168, 55 (1998).
3. Дж. Хирт, Н. Лоте, Теория дислокаций, Атомиздат, Москва (1972).
4. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц, Теория упругости, Наука, Москва (1965).
5. Т.Е. Константинова, Мезоструктура деформированных сплавов, ДонФТИ
НАНУ, Донецк (1997).
6. Т.Е. Константинова, ФТВД 8, № 4, 85 (1998).
7. А.А. Коршунов, Ф.У. Eникеев, М.И. Мазурский, Металлы № 3, 121 (1994).
8. Р.З. Валиев, Р.К. Исламгалиев, Н.Ф. Юнусова, МиТОМ № 2, 21 (2006).
9. F.Z. Utyashev, B.P. Bewlay, M.F.X. Giliotti, O.A. Kaibyshev, Material and Design 21,
287 (2000).
10. О.А. Кайбышев, В.А. Валитов, Ш.Х. Мухтаров, Б.П. Бьюлей, М.Ф.Х. Джигли-
отти, Тр. Междунар. научной конф. «Современное состояние теории и практи-
ки сверхпластичности материалов», посвященной 15-летию ИПСМ РАН, Ги-
лем, Уфа (2000), с. 124–129.
11. F.Z. Utyashev, F.U. Enikeev, V.V. Latysh, E.N. Petrov, V.A. Valitov, in: Proc. NATO
Advances Research Workshop «Investigations and Applications of Severe Plastic De-
formation», Series 3. High Technology 80, 73 (2000).
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 2
117
12. О.А. Кайбышев, Научные основы, достижения и перспективы сверхпластиче-
ской деформации, Гилем, Уфа (2000).
13. Г.Б. Строганов, О.А. Кайбышев, О.Х. Фаткуллин, Сверхпластичность при об-
работке материалов давлением, ОНТИ МАТИ, Москва (2000).
14. В.Н. Перевезенцев, В.В. Рыбин, ФММ 51, 650 (1981).
15. В.С. Иванова, А.В. Корзников, Металлы № 1, 103 (2002).
16. R.R. Mulyukov, M.D. Starostenkov, Acta Metallurgica Sinica (English Letters) 13,
301 (2000).
17. М.М. Мышляев, С.Ю. Миронов, ФТТ 44, 711 (2002).
18. В.И. Владимиров, Физическая природа разрушения металлов, Металлургия,
Москва (1984).
19. А.М. Беликов, А.И. Дрожжин, А.М. Рощупкин, Пластическая деформация ните-
видных кристаллов, Изд-во ВГУ, Воронеж (1991).
20. Н.И. Носкова, А.В. Корзников, С.Р. Идрисова, ФММ 89, № 4, 103 (2000).
21. В.С. Постников, А.М. Беликов, А.Т. Косилов, в кн.: Физические процессы пла-
стической деформации при низких температурах, Наукова думка, Киев (1974),
с. 120–124.
22. Дж. Эшелби, Континуальная теория дислокаций, Мир, Москва (1963).
E.G. Pashinskaya
MODEL OF GRAIN-BOUNDARY SLIP UNDER COMBINED PLASTIC
DEFORMATION WITH SHEAR
Problem of grain-boundary slip (GBS) in deformed metallic submicrocrystalline (SMC)
materials obtained using combined plastic deformation with shear is considered. It is
shown that the rotation instability mechanism results in quick evolution of the boundaries
and reorientation thereof during the combined plastic deformation with shear.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-70426 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0868-5924 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:08:21Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Пашинская, Е.Г. 2014-11-04T19:03:59Z 2014-11-04T19:03:59Z 2008 Модель зернограничного проскальзывания при комбинированной пластической деформации со сдвигом / Е.Г. Пашинская // Физика и техника высоких давлений. — 2008. — Т. 18, № 2. — С. 111-117. — Бібліогр.: 22 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 61.72.–у https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70426 Рассмотрен вопрос зернограничного проскальзывания (ЗГП) в деформированных металлических субмикрокристаллических (СМК) материалах, полученных с применением комбинированной пластической деформации со сдвигом (КПДС). Показано, что при малых размерах зерен может реализоваться механизм ротационной неустойчивости, приводящий к быстрой эволюции границ и росту угла их разориентации в процессе КПДС. Problem of grain-boundary slip (GBS) in deformed metallic submicrocrystalline (SMC) materials obtained using combined plastic deformation with shear is considered. It is shown that the rotation instability mechanism results in quick evolution of the boundaries and reorientation thereof during the combined plastic deformation with shear. ru Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України Физика и техника высоких давлений Модель зернограничного проскальзывания при комбинированной пластической деформации со сдвигом Модель зернограничного проковзування при комбінованій пластичній деформації зі зсувом Model of grain-boundary slip under combined plastic deformation with shear Article published earlier |
| spellingShingle | Модель зернограничного проскальзывания при комбинированной пластической деформации со сдвигом Пашинская, Е.Г. |
| title | Модель зернограничного проскальзывания при комбинированной пластической деформации со сдвигом |
| title_alt | Модель зернограничного проковзування при комбінованій пластичній деформації зі зсувом Model of grain-boundary slip under combined plastic deformation with shear |
| title_full | Модель зернограничного проскальзывания при комбинированной пластической деформации со сдвигом |
| title_fullStr | Модель зернограничного проскальзывания при комбинированной пластической деформации со сдвигом |
| title_full_unstemmed | Модель зернограничного проскальзывания при комбинированной пластической деформации со сдвигом |
| title_short | Модель зернограничного проскальзывания при комбинированной пластической деформации со сдвигом |
| title_sort | модель зернограничного проскальзывания при комбинированной пластической деформации со сдвигом |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70426 |
| work_keys_str_mv | AT pašinskaâeg modelʹzernograničnogoproskalʹzyvaniâprikombinirovannoiplastičeskoideformaciisosdvigom AT pašinskaâeg modelʹzernograničnogoprokovzuvannâprikombínovaníiplastičníideformacíízízsuvom AT pašinskaâeg modelofgrainboundaryslipundercombinedplasticdeformationwithshear |