Самоорганизация и коллективные эффекты при неустойчивой пластической деформации кристаллов

• Автор: Лебедкин, Михаил Александрович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Черноголовка
• Количество страниц: 248 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение

1. Литературный обзор

1.1.Феноменологическая классификация неустойчивости пластического течения

1.2. Механизмы скачкообразной деформации

1.2.1. Эффект Портевена - Ле Шателье

1.2.2. Низкотемпературная скачкообразная деформация

1.2.3. Низкотемпературное двойникование

1.3. Электронные эффекты при деформации металлов

1.4. Динамические системы в физике твердого тела

1.4.1. Детерминированный хаос и самоорганизующаяся критичность

1.4.2. Аналоги пластичности в физике твердого тела
1.4.3. Скачкообразная деформация как коллективный дислокационный процесс
1.5. Моделирование коллективной динамики дислокаций
2. Экспериментальная методика
2.1. Выбор объектов исследований и подготовка образцов
2.2. Регистрация и обработка деформационных кривых
2.2.1. Общие принципы измерений
2.2.2. Детали экспериментальной схемы
2.3. Регистрация электрического отклика
3. Аналитические методы
3.1. Динамический анализ - реконструкция фазового пространства
3.2. Статистический анализ - масштабная симметрия
3.3. Мультифрактальный анализ - неоднородный скейлинг
4. Эффект Портевена - Ле Шателье. Статистическое поведение и
локализация деформации.
4.1. Экспериментальные результаты. Критический режим
4.2. Компьютерная модель.
4.3. Результаты моделирования. Поведение в пространстве параметров
4.4. Обсуждение результатов. Природа пространственной корреляции
5. Эффект Портевена - Ле Шателье. Порядок, скрытый за скачкообразной деформацией.
5.1. Динамический анализ. Детерминированный хаос
5.2. Мультифрактальный анализ. Переход хаос - СОК
5.3. Динамический механизм эффекта ПЛШ

6. Статистические аспекты низкотемпературной скачкообразной деформации
6.1. Макроскопическое поведение
6.2. Статистический анализ
6.3. Обсуждение результатов. Открытые вопросы
7. От макроскопических скачков к мезоскопическому масштабу
7.1. Эффект увлечения электронов
7.1.1. Электрические эффекты в ниобии
7.2.2. Электрические эффекты в алюминии
7.3.3. Природа электрических сигналов
7.3.4. Электрические эффекты и механизмы деформации
7.2. Статистика электрических импульсов
Заключение
Список литературы

ВВЕДЕНИЕ
Пластическое течение твердых тел, обусловленное движением и размножением дислокаций и других дефектов, по своей природе не является однородным и непрерывным. Об этом свидетельствует, например, наблюдение линий скольжения на поверхности деформируемых кристаллов или электронно-микроскопическое наблюдение in situ скачкообразного движения дислокаций. Тем не менее, неоднородность деформации в пространстве и времени обычно не проявляется на макроскопическом уровне вследствие усреднения по большому числу элементарных деформационных событий, так что при традиционной чувствительности измерений в большинстве экспериментальных ситуаций наблюдаются гладкие кривые деформации. Поэтому большинство концепций физики пластичности основывались на предположении об однородности и непрерывности и рассматривали движение одиночной дислокации, а взаимодействию с другими дислокациями отводилась лишь роль источника сопротивления ее движению [1, 2]. Понимание микроскопических механизмов движения дислокаций явилось одним из важнейших достижений физики пластичности и создало уверенность, что формальное усреднение микроскопической динамики дислокаций по дислокационному ансамблю позволит предсказать макроскопическое поведение деформируемых кристаллов. В последние годы стало, однако, ясно, что взаимодействие дислокаций приводит к самоорганизации на промежуточном “мезоскопическом” уровне, связанном с коллективным движением групп дислокаций. При этом однородное пластическое течение становится неустойчивым в пространстве и/или времени, что может проявляться в формировании дислокационных структур [3-5], локализации деформации [6] и сложной временной эволюции напряжения пластического течения - скачкообразной деформации [7-10]. Характерный “мезоскопический” масштаб определяется конкретными коллективными процессами в дислокационном ансамбле. Таким образом, макроскопическое описание деформации требует изучения разнообразных процессов, протекающих на мезоскопическом уровне.

тепла, и т.д. В то же время, ряд экспериментальных данных не укладывается в эту концепцию. Например, было детально изучено влияние сверхпроводящих переходов на низкотемпературную скачкообразную деформацию различных металлов и сплавов (1п, РЬ, Бп, А1, А11У^, А11л, Си№>...) [107. 117, 119-121]. Тепловая нестабильность должна быть чувствительна к сверхпроводящим переходам, поскольку они резко изменяют теплофизические характеристики материалов. Анализ совокупности экспериментальных данных (см. обзор [117]) обнаружил ряд противоречий с предсказаниями в рамках тепловой гипотезы. Поэтому в литературе обсуждаются и атермические механизмы пластической неустойчивости, в основном, гипотеза, предложенная в [28]. В пользу атермических механизмов говорит и рассмотренная выше кинетика скачков нагрузки. Характерные времена процессов при скачках соответствуют скорости дефектов, близкой к скорости звука, и свидетельствуют об их динамической природе. Эта концепция пока не получила теоретического развития. Качественные соображения основаны на предположении о том, что из-за затрудненного поперечного скольжения дислокаций при низких температурах интенсивно образуются дислокационные скопления, и повышается напряжение течения. Взаимодействие дислокаций друг с другом приводит к формированию неоднородного поля напряжений и препятствий с различной высотой энергетического барьера. При некотором уровне напряжений происходит прорыв части дислокационных скоплений через препятствия, размножение дислокаций и, в конечном счете, «катастрофичекий» коллективный процесс скольжения.
Вообще говоря, если возникновение неустойчивости определяется атермическим механизмом, тем не менее, дальнейшее ее развитие является связанным термомеханическим процессом. Об этом свидетельствуют прямые измерения скачков температуры поверхности кристаллов при низкотемпературной скачкообразной деформации. Параллельные измерения напряжения и температуры во время отдельного скачка в никеле, меди и промышленных сплавах обнаружили, что начало падения напряжения на датчике, находящемся в непосредственной близости от горца образца, предшествует повышению температуры, регистрируемому с помощью термопары [116]. Это дало автору основания говорить о двустадийном