Локальная потеря сдвиговой устойчивости кристалличес­кой решетки в нагруженном твердом теле на микроуровне

В соответствии с "силовыми" моделями механики сплошной среды, любая точка в деформируемом твердом теле испытывает сдвиг под действием заданного приложенного напряжения. Посколь­ку в кристалле сдвиги связаны с определенными кристаллографи­ческими плоскостями, не совпадающими с направлением приложенной силы, необходимо допускать определенные схемы самоорганизации различных систем скольжения. Главная задача такой самоорганиза­ции - сохранение сплошности материала и обеспечение одновремен­ного движения всех точек деформируемого твердого тела в направ­лении приложенного напряжения. В соответствии с этой задачей вес известные в теории дислокации схемы пластической деформации структурно-неоднородной среды (Закса, Кохендорфера, Бишопа-Хил-ла, Эшби, Тейлора и др.). несмотря на отличие друг от друга” строились как различные комбинации только сдвигов в рамках "си­ловых" моделей.

Однако комбинации только трансляционных мод деформаций в рамках "силовых" моделей не позволили объяснить такие фундамен­тальные вопросы микроскопики деформации, как источники деформа­ционных дефектов, механизмы самоорганизации дислокационных ан­самблей и возникновения диссипативных структур, природа органи­ческой взаимосвязи пластической деформации и разрушения как двух стадий единого процесса. Самым главным недостатком исполь­зования "силовых" моделей в теории дислокации является то, что они не связывают физику пластического течения кристалла с поте­рей его сдвиговой устойчивости, это ставило под сомнение кор­ректность переноса методологии "силовых" моделей механики сплошной среды на микромасштабный уровень описания процессов в нагруженных кристаллах.

В последнее десятилетие это сомнение переросло в твердое убеждение, что методология механики сплошной среды принципиаль­но не применима для описания физики пластической деформации кристалла на микромасштабном уровне. Пластическая деформация в кристалле не может протекать одновре­менно во всех точках под действием приложенных напряжений, так как для этого кристалл должен быть сдвигонеустойчивым во всем объеме. На самом деде пластическая деформация развивается лишь в отдельных зонах концентраторов напряжений как локальная поте­ря сдвиговой устойчивости кристаллической решетки.

Новая физическая интерпретация механизма пластического те­чения обусловливает построение кардинально другой "релаксацион­ной" модели элементарного акта пластической деформации, который одновременно протекает на двух масштабных уровнях: микро и мезо.

Согласно релаксационной модели, в каждой точке деформируе­мого объема в заданный момент времени сдвиг может осуществлять­ся только по одной системе плоскостей скольжения, соответствую­щей направлению максимальных касательных напряжений, в котором решетка теряет свою сдвиговую устойчивость. Такой сдвиг всегда сопровождается материальным поворотом внутри структурного эле­мента (зерна, блока, ячейки дислокационной структуры и др.). Это обусловливает появление на границах структурного элемента моментных напряжений, действующих на структурный элемент со стороны окружения. Моментные напряжения вызывают появление по­воротных мод деформации. Структурные элементы начинают двигать­ся как целое, испытывая трансляцию и кристаллографический пово­рот.

Поле поворотных моментов обусловливает поворотные моды де­формации и внутри структурных элементов; выход дислокации из их плоскостей скольжения и формирование разориентированной ячеис­той субструктуры; последовательное вовлечение других систем скольжения, которые образуют вихрь материальных поворотов; об­разование дислокационных диполей, в которых спаренные дислока­ционные скопления имеют материальные повороты противоположного знака.

Органическая взаимосвязь сдвигов и соответствующих поворо­тов трехмерных структурных элементов приводит к тому, что плас­тическая деформация не способна развиваться только на микромасштабном уровне: сопровождающие сдвиги поворотные моды вовле­кают в деформацию мезомасштабный уровень нагруженного материа­ла. Как следствие, элементарным актом пластического течения яв­ляется не трансляционное движение дислокации на микроуровне, а движение трехмерного мезообъема по схеме "сдвиг + поворот". Корректный анализ пластичности и прочности твердых тел требует наряду с микромасштабным уровнем, введение в рассмотрение мезоскопического масштабного уровня. "Деформируемое твердое тело является многоуровневой самоорганизующейся системой, в которой микро-, мезо- и макромасштабные уровни органически взаимосвяза­ны".

Этот вывод имеет фундаментальное значение для обоснования релаксационной природы пластической деформации, ее связи с по­терей сдвиговой устойчивости кристаллической решетки в локаль­ных зонах концентраторов напряжений, природы источников дефор­мационных дефектов.

При высокотемпературной ползучести поликристаллов мезообъемами могут быть целые зерна. В поликристаллах мезообъемы могут быть блоками внутри отдельных зерен или конгломератами зерен. В общем случае вид мезообъемов может быть самым разнообразным.

Принципиально новым качеством в движении мезообъемов по схеме "сдвиг + поворот" является возможность непрерывной гене­рации в ходе пластической деформации локальных концентраторов напряжений и связанных с ними источников деформационных дефек­тов. Поскольку в общем случае мезообъемы не являются разноосными, на их границах при поворотах возникают зоны стесненной де­формации и, соответственно” новые концентраторы напряжений. Другими словами, кристаллографические сдвиги внутри мезообъ­емов, релаксируя одни концентраторы напряжений, приводят к генерации на границах мезообъемов новых концентраторов напряжений через поворотные моды деформации. Это обеспечивает непрерывную генерацию локальных концентраторов напряжений и связанных с ни­ми источников деформационных дефектов в условиях релаксационной природы пластического течения.

Следует особо подчеркнуть, что рассмотренная схема возник­новения источников деформационных дефектов в локальных зонах концентраторов напряжений как локальная потеря сдвиговой устой­чивости кристаллической решетки может реализоваться только при рассмотрении движения мезообъемов по схеме "сдвиг + поворот".

Движение мезообъемов приводит к формированию в деформируе­мом твердом теле диссипативной структуры, которая обладает спо­собностью к пластическому течению по схеме "сдвиг + поворот". Вид диссипативной структуры в различных материалах и при раз­личных условиях нагружения может быть самым различным. Но все они приходят на смену исходной внутренней структуре, которая оказывается неустойчивой по отношению к поворотным модам дефор­мации. Их формирование всегда способствует повышению пластич­ности материала. Правда, при высокотемпературном нагружении они сильно увеличивают скорость ползучести нагруженных материалов и конструкций.

Дата добавления: 2014-12-27