Файл: Синергетика и усталостное разрушение металлов..pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 29.02.2024

Просмотров: 188

Скачиваний: 1

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

УДК539.43:620.17

О ДИНАМИЧЕСКИХ СТРУКТУРАХ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Р.И.Богданов, С.В.Варнавин, GH Нагорных

Синергетический подход к описаниюобразования и распада структур [1—3] оказывается полезнымпри интерпретации структурных превращений в процессе механических испытаний материалов [4,5].

Для металлов и сплавов с ростом пластической деформации характер­ на иерархия структур возрастающей плотности дислокаций: однородная структура, затем колебания плотности или клубковая структура, затем блочная структура с возрастающей разориентацией. Эволюция структур завершается появлением трещин. При этом вблизи трещин эволюция дислокационных структур повторяется [4], т.е. проявляется автомодель­ ность поведения плотности дислокаций. Каждый тип структур возникает при некотором критическом значении плотности медленных дислокаций. При значениях этой плотности порядка 1012-1013 см“2материал разру­ шается [6].

Для описания эффектов упрочнения и пластичности,а также геометрии разрушений при циклическом кручении металлов и сплавов авторами была предложена система уравнений [7]

х±= G±- а±х±-bx±xM,

(1)

-*"М—^*6 -*М“

*М+SV(хкр —

,

где

х6, хм —плотности

быстрых (БД) и медленных (МД) дислокаций,

х±

—составляющие дгб

при кручении, соответствующие противополож­

ным направлениям деформации:xq =x_ +х+; G±, а±, ам, xKp,S - неотри­ цательные параметры поликристалла.

Вработе [7] анализировалось частное решение

х±= const*; хм = const,

(2)

являющееся стационаромточечнойчасти системы

(1). Анализ заключался

в редукции (1) к спектральной задаче для линейного уравнения в частных производных; вычисление спектра определяло устойчивость решения (2). Однако анализ решения (2) не исчерпывает описания всего многообразия дислокационных структур,встречающихся в экспериментах.

Представляет интерес анализ переходного процесса плотностей дисло­ каций из начального состояния (t - 0) к бесконечным временам (t > 1), где действует в устойчивом случае асимптотика выхода (экспоненциаль­ ного затухания) на стационар (2).

Рассмотрим переходный процесс, в котором решение (хм) коллапси­ рует за конечное время в сингулярное. Такие процессы можно связать

сдинамикой возникновения дислокационных границ или плоских трещин. Кроме того, проанализируем новые стационарные (асимптотические)

состояния системы (1), для которых спектральный анализ дает неустой­ чивость решения (2). Полагаем, что решения в этих случаях моделируют

171


периодически повторяющиеся полосы скольжения и блочно-зеренную

структуру.

 

 

Нестационарный автомодельный закон стока с возникновением плоских

границ.Построим автомодельное решение управления

 

д

д

(3)

и = -S — и

Эх

Эх

 

и определяет частное решение системы (I),еслиположить

 

а М(*М) _

»

 

гдехб= х_ +х+; х+ = G+/(bxM+ я+);х_ = G-/(bxM+а_)- решения,отве­ чающие стационарным точкам (2) первых двух уравнений системы (1). Таким образом, вычисляем асимптотику коллапсирующего решения на конечном промежутке времени.

Частное автомодельное решение уравнения (3). Оператор в правой части (3) переводит квадратичные полиномы отхв себя,

поэтому представимрешение в виде

(4)

и = сх2 + ах + Э,

где c(t), a(t\ b(t) —неизвестные функции времени. Подстановка (4) и (3) даетпосле приведения подобныхпри мономахх2,х1,х°:

с = -6Sc2, а = -6Sac, Ь = -S(2cb +а).

(5)

Из первых двух уравнений (5) следует,чтоа=с- const.

Тогда третье

уравнение —линейное уравнение первой степени с непостоянными коэффи­

циентами —интегрируется методом вариации постоянных. Окончательное решение имеетвид

r

const\ 2

(6)

+ —— \ + £о с1'3, с = с0/(1+ 6Sc0t),

где to —вещественный параметр, х —толщина границы на критической плотности хкр. Из (6) следует, что при t0 = —1/6 Sc0 >0 наступаеткол­

лапс при толщине Хо = const/2,причем решение

и(х0, t) =

to[c(0J^3

разрывно в точке t0.

 

(3), то при

Если интерпретировать решение (6) в качестве решения

t ->/0 °н°сводится к± I fo12/35 (х - Хо).

м(х) = м(-х) - 0, х <х.

Действительно, /~и(х, t)dx= ± 211012/3,где

Знаксоответствуетt <t0,з н а к t >t0.

При S > 0 из t0 > 0 следует с0 < 0, т.е. м(хо,0) <0.Такимобразом, при х= х0, t = 0 плотность медленных дислокаций хм <хкр. При t -+ t0,

t < t0 слойилиграница. [х,х] приобретает надкритичную плотность, т.е. является источником дислокаций. Плотность дислокаций в этом слое растет и может превысить критическую, характерную для образования последующей структуры, например для возникновения малоугловой или большеугловой границы или плоской трещины шириной х0. Решение

(6) при этом показывает инверсию плотностей внутри и вне [х,х]. Асимптотика плотностей быстрых дислокаций.

Рассмотрим закон стока дислокаций x±t хм в момент коллапса t = t0. 172


Первые два уравнения системы (1) даютасимптотикух±:

 

х± = -bux±, t -+ tо .

(У)

Из (7) следует

(8)

х± = const*(х)exp(-bfudt).

Но согласно (6)

 

fudt = ---In 11+ 6 S c0t I (x - x0)2+ — (1 +65c002/3.

(9)

При t -+10 второе слагаемое в (9) стремится к нулюи поведениех± (8)оп­ ределяется первым слагаемым (9), имеющим отрицательный знак при t Е [0,2 t0]. При х= х0 плотности быстрых дислокаций х±минимальны. Найденное решение (6) удовлетворяет (1),если положить

ам(*м)= ь(х-

+ *+)•

(10)

Следовательно,

в окрестности точки коллапса коэффициент стока

ам (*м) как функция отхимеет вид ’’опрокинутой” гауссовой

кривой с

ярко выраженным минимумом при толщине плоской границы*=х0.При -►о ширина этой кривой стремится к нулю, что можно интерпретиро­ вать как малоугловые или большеугловые дислокационные границы. Периодические дислокационные структуры. Уравнения (1) определяют

стационарные решения х±как функции отхм:

*± = С±КЬхм+а±)

(11)

(при условии,чтохм =хм(х),х 6R1).Подстановка хм(х)в третье уравне­ ние (1) приводит к уравнениювида

О= q(u) —SVuVu.

(12)

Таким образом, для построения асимптотических состояний, отличных от (2),необходимо построить подходящие решения (12).

Консервативные решения (11) в одномерном слу­

чае.

Обозначив р(и) = ди/дх,получим

(13)

О= q(u) - sp2 -pp'Su.

Умножая (13) на к,имеем

 

0 = uq (и) - ~

~4~(u2P2)i

 

откуда

2

du

 

fuq(u)du

 

1

,

(14)

г

р2

=

~ • ?*«**

где постоянная интегрирования включена в правуючасть (14).

Таким образом, нас интересует решение с нулевой энергией динами­ ческой системы с гамильтонианом из (14).

Критические значения потенциала. Положим

 

fuq(u)du = Ф+/ tq(f)tff.

(15)

о

 

173


Тогда критические точки потенциала в (14) находятсяизуравнения

Ф-JL j tVCOtf.

 

 

 

 

 

(16)

2

о

 

 

 

 

 

 

Действительно,дифференцируя потенциал по и,получаем

 

 

uq(u)u2 —2иfuq(u)du= О,

 

 

 

 

 

 

u2q(u)= 2fuq(u)du= 2Ф+ 2/*f<7(f)df=

 

 

 

 

= +

о

 

 

 

 

 

 

г -1 “!2яХШ.

 

 

 

 

 

 

 

0 О

 

 

(16) через и0, то критиче­

откуда следует (16). Если обозначить решение

ское значение примет вид

 

 

 

 

 

 

Я(“о)= (*'о)1{-;/Ч'1‘?’( 0

о

t?«)df= ^ 1

J

.

(17)

 

 

 

 

Следовательно: 1) еслиы0»и0 - критические точки потенциала (14), то

/° fVtt)<#=0.

(18)

“о

 

Сдругой стороны,если и0 —критическая,точка,и 0 удовлетворяет (18). Тогда и о - критическая точка гамильтониана (14).

Если 2) и0пи0критические точки потенциала,то на отрезке [м0»“о] лежит ноль производной q'(S)= 0, f € [ц0, tT0];

3) в общем положении нулевая линия уровня гамильтониана бифурци-

рует при

 

2 о tVffW; <7(«) = 0;

(19)

4) компактная изолированная ветвь нулевой лини уровня рождается из

вырожденного состояния равновесия в коразмерности 1

 

q(u0)= q(u0)“О, Ф= V°tV«W \

(20)

 

5) асимптотика периода Т движения и = и(х) по нулевой линии уровня

(точнее, по компактной односвязной компоненте) при и -+ и0 стремится в величине

limT[H(u)= 0\ *2ir/Vk'(“o)l/^ “- “о

Таким образом, условие периодичности плотности дислокаций на протя­ женности кристалла (период делит нацело размер по оси х кристалла на плоскости скольжения) при малом числе параметров оставляет при каж­ дом Фконечное число периодических мод. Сверхвысокие по частоте моды появляются при большем числе параметров. Соответственно растет число мод,удовлетворяющих условию периодичности.

Отметим также,что значение м„,при котором

b[ ^ Z + 1 ^Г а7 "

=

является бифуркационным (это следует из (19)).

174


Локализованные решения для трехмерного случая. Пусть в (12)

_ _

д

ди д

ди

■д

ди

.

(21)

VuVu= —и— +

и —+ —и

дz

 

дх

дх Ъу

Ъу

дz

 

 

Полагая и =Х{х)Y(y)Z(z),найдем Х(х) и У(у) из условий

д

дХ

э

дУ

ХГ2.

 

(22)

— X— = XX2; —у—

 

дх

дх

ду

ду

 

 

 

 

Всилу (14) имеем

 

 

 

 

 

L(xy m±-+± X2

 

 

 

 

(23)

2{Хх) х2

+ 4 *

 

 

 

 

ф.>.0.получаем локали­

(и аналогичное выражение для Y' ).При X<

зованное нах G

[а, Ь],где Ъ> а > О, Ь-а <2 \Л-4Ф/Х,решение вида

Х(х)

/* - а,

х Е [а,(а + Ь)/2)

Vb - х,

хЕ [(a+b)/2,b) .

 

Полагая q(u)= q0u2, получим

(q- XS)Z2-S— Z — = 0, dz dz

откуда

1

 

 

2

Sz2

4S

(24)

(25)

(26)

Таким образом,при q —X,S< 0, Ф>0имеемлокализованный множи­ тель Z (z). Следовательно, в окрестности локального максимума q(и)

Фо)= ф'(ио)= 0, q"(u0) < 0

в трехмерном кристалле появляются асимптотические состояния в виде зе­ рен. Итак, при выполнении условий (20) бифуркации коразмерности 1, помимо периодических мод, в трехмерном случае появляется зернистая структура: блоки или зерна,заполненные дислокациями.

ЛИТЕРАТУРА

1. Данилов ЮЛ., Кадомцев Б.Б. Что такое синергетика? // Нелинейныволны. М.:Наука.1983,.С.5-16.

2.Пригожин И.Отсуществующего квозникающему.М.:Мир.1985.328 с.

3.ХакенГ.Синергетика.М.:Мир,1985.420с.

4.Иванова В.С.Механика и синергетика усталостного разрушения //Физ.-хим.ме­ ханикаматериалов.1986.N>1.С.62-68.

5. Панин В.И.,Лихачев ВА.,Гриняев Ю.В.Структурные уровни деформации твер­ дыхтел.Новосибирск:Наука,1985.226 с.

6.Усталость и хрупкость металлических материалов //В.С.Иванова,С.Е.Гуревич, И.М.Кольев и др.М.:Наука,1968.213 с.

7.Крупкин П.Л.,Куров НЕ.,Нагорных С.Н.Осинергетическомподходе к пробле­ мам пластичности и разрушения // Структура дислокаций имеханические свойства металлов и сплавов: Тез. докл. Всесоюз. семинара, март 1987 г. Свердловск- ИФМУНЦАНСССР,1987.С.172-173. 175