Моделирование динамики развития нанодефектов в металлах при ионной имплантации и деформации

• Автор: Дроздов, Александр Юрьевич
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Ижевск
• Количество страниц: 160 с. : ил.

Глава 1. Классификация микронесплошностей и микромеханизмов их

зарождения и роста

1Л. Микромеханизмы зарождения и развития трещин в металлах

1Л Л. Механизмы зарождения микротрещин

1Л .2. Реальная прочность кристаллов. Теория Гриффитса

1.1.3. Барьерные модели заторможенного сдвига

1.1.4. Модели безбарьерного зарождения микротрещин

1.1.5. Термофлуктуационные модели зарождения трещин

1.2. Микромеханизмы роста трещин

1.2.1. Хрупкий скол

1.2.2. Квазихрупкий рост трещин

1.2.3. Пластические механизмы роста трещин
1.2.4. Диффузионные механизмы роста трещин
1.3. Современные исследования механизмов роста микротрещин
1.3.1. Экспериментальные результаты по изучению микромеханизмов разрушения
1.3.2. Компьютерное моделирование деформирования и разрушения кристаллов
1.4. Выводы главы 1 и постановка цели и задач
Глава 2. Методы компьютерных исследований процессов деформации, разрушения и ионного облучения
2.1. Метод молекулярной динамики
2.2. Применения метода МД для изучения нанодефектов при внешних воздействиях
2.3. Модельный кристаллит и алгоритм моделирования ионного облучения
2.4. Потенциалы парного взаимодействия
2.4.1. Выбор потенциалов для моделирования ионного облучения и деформации в простых и переходных металлах

2.4.2. Расчет ППВ в системах металл с примесью водорода методом псевдопотенциала ХАА с функцией экранировки

2.5. Выводы главы
Глава 3. Атомные механизмы развития нанопоры в чистых ОЦК и ГЦК металлах и с примесью водорода
3.1. Водород в металлах. Ионное облучение металлов
3.2. Моделирование разрушения пленки с нанопорой при одноосном растяжении
3.3. Моделирование теплового пика (чистое железо)
3.4. Моделирование ионного облучения кристаллита с нанопорой
3.5. Моделирование одноосного растяжения образца (железо с примесью водорода)
3.6. Моделирование ионного облучения железа с примесью водорода
3.7. Выводы главы
Глава 4. Атомные механизмы развития нанотрещины в металлах
4.1. Эволюция нанотрещины в чистых ОЦК- и ГЦК-металлах и с примесью водорода
4.2. Атомные механизмы развития нанотрещины в ГЦК металлах при одноосном растяжении
4.3. Атомные механизмы развития нанотрещины в ОЦК металлах при одноосном растяжении
4.4. Атомные механизмы развития нанотрещины в титане(ГПУ) при ионном облучении и растяжении
4.5. Атомные механизмы развития нанотрещины в никеле при ионном облучении и растяжении
4.6. Предполагаемый механизм залечивания нанотрещины
4.6. Выводы главы
Заключение и основные выводы
Список литературы

Актуальность темы. В связи с повышенным вниманием к нанокристаллам, как материалам высоких технологий, изучение их структуры, фазовых превращений, механических свойств является ключевой задачей прогнозирования их эксплуатационных характеристик и функциональных свойств.
Прочность является одним из важнейших функциональных свойств конструкционных материалов, среди которых металлы и сплавы остаются и сегодня наиболее распространенными. Физическая природа разрушения твердых тел кроется в обстоятельствах разрыва атомных связей под действием локальных напряжений и термических флуктуаций. Конкретизировать эти обстоятельства можно, если рассмотреть проблему на атомарном уровне. К сожалению, экспериментально это сделать не всегда возможно. Многообразие возможных схем взаимодействия точечных, линейных и объемных дефектов между собой и с элементами исходной структуры материалов (такими как выделения и включения другой фазы, границы зерен и т.д.) затрудняют возможность экспериментально исследовать все ситуации, реализуемые на практике.
Наряду с традиционными методами физического эксперимента в последние годы все большее внимание уделяется методам компьютерного моделирования [1]. Применение методов компьютерного эксперимента, актуальность которых на сегодняшний день значительно возросла, необходимо, поскольку обеспечивает рассмотрение процессов на наноразмерном уровне и позволяет получать результаты, которые невозможно на сегодняшний день получить экспериментально^].
Механизмы деформации и разрушения металлов на атомарном уровне прямыми экспериментальными методами изучать чрезвычайно сложно -методов не так много (например, высоковольтная электронная микроскопия)

В процессе развития деформации образцов начиналось скольжение в сопряженной системе и поперечное скольжение винтовых дислокаций. Кристаллогеометрические закономерности развития трещин и зигзагообразный характер их траектории были подтверждены в работе Форсайта и Вильсона[81]. В случае толстых фольг разрушению предшествовало формирование шейки шириной 2-3 мкм, по которой затем развивалась зигзагообразная трещина с четкой кристаллографической огранкой. На картину развития разрушения повышение чистоты алюминия не оказало заметного влияния. Авторам удалось наблюдать генерацию дислокаций у вершины трещины, которые отводились в окружающие области материала по узким зонам утончения. Движение дислокаций не было ограничено единственной системой скольжения, они расходились во многих направлениях, и плотные дислокационные сгущения формировались по обеим сторонам шейки.
В процессе своего развития трещины останавливались и затуплялись. Это происходило, в частности тогда, когда две трещины росли от противоположных сторон микрообразца. Сложное напряженное состояние в вершине трещины направляло трещину из области с высокими напряжениями в область пониженных напряжений, где она останавливалась и затуплялась. Ее движение возобновлялось только после заострения вершины в процессе дальнейшего развития пластических деформаций в области шейки. Отмечалось также замедление развития трещин при переходе из тонкой области в более толстую. В микрообразцах из сплавов А1 + 4%Си не наблюдалось разрушение вдоль границ зерен, но имели место случаи развития трещин поперек границ. Разрушение носило транскристаллитный характер, а траектория трещины по-прежнему была зигзагообразной.
Таким образом исследования Форсайта и Вильсона существенно расширили границы применимости закономерностей разрушения, установленных в работе Пэшли [76]. Они показали, что такие факторы, как