Многомасштабное моделирование пластической деформации металлов с учетом их микроструктурыНИР

Multiscale modeling of plastic deformation of metals with account of their microstructure

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 марта 2016 г.-31 декабря 2016 г. Многомасштабное моделирование пластической деформации металлов с учетом их микроструктуры
Результаты этапа: Методом молекулярной динамики изучен механизм и скорости зарождения петель частичных дислокаций вблизи зон Гинье-Престона разного диаметра. Полученные скорости зарождения дислокаций аппроксимированы в аррениусовской форме. Показано, что при температурах до 400 К дислокации зарождаются на краях зон Гинье-Престона, а при температурах выше 400 К в центральной части зон. Установлено, что зависимости активационных параметров от температуры близки к линейным для каждого из этих механизмов, однако, их наклоны, а следовательно, и активационные энтропии, отличаются. Сделана интерпретация различия активационных энтропий двух различных механизмов зарождения на основе расположения активационных центров в этих процессах. Установлено, что зарождению дислокацию предшествует образование наноразмерного дефектного кластера, в котором атомы сдвинуты друг напротив друга на половину величины вектора Бюргерса частичной дислокации. Показано, что кластер сначала вытягивается в направлении вектора Бюргерса, а затем резко поджимается, при этом внутри происходит вторичный сдвиг атомов, который и формирует дислокационную петлю. Сделана интерпретация атомного механизма зарождения дислокаций на основе профиля энергии дефекта упаковки, типичного для ГЦК металлов. Методом молекулярной динамики исследована эволюция петель частичных дислокаций после зарождения в зависимости от приложенного сдвигового напряжения при различных температурах. Получены зависимости скорости распространения краевого и винтового сегментов петли от сдвигового напряжения. Показано, что скорость винтового сегмента ограничена поперечной скорость звука при всех сдвиговых напряжениях, а скорость краевого сегмента при некотором сдвиговом напряжении преодолевает скачком поперечную скорость звука. Получены зависимости этого напряжения от температуры. Показано, что при распространении петель петель частичных дислокаций внутри них может образовываться двойник за счет сдвига атомов, находящихся в соседних плоскостях скольжения. Образовавшийся двойниковый фронт догоняет границу дислокационной петли и, таким образом, трансформирует всю петлю в двойник. При меньших сдвиговых напряжениях было обнаружено, что движущаяся частичная дислокация трансформируется в полную дислокацию, либо схлопывается. Показано, что активация этих процессов, по-видимому, зависит от начального размера петли. На основе проведенных молекулярно-динамических расчетов построена модель релаксации сдвиговых напряжения в сплавах алюминия с медью, которая учитывает зарождение и распространение дислокационных петель, которые при движении увеличивают свою длину. Модель включает в себя соотношение Орована для скорости пластической деформации, кинетическое уравнение изменение плотности дислокаций и закон Гука. Показано, что примерно до 0.8 ГПа процессы размножения дислокаций за счет распространения доминирют над процессами зарождение дислокаций как в гомогенном объеме, так и вблизи зон Гинье-Престона. При напряжениях выше 0.8 ГПа происходит смена механизмов. Получены зависимости скорости пластической деформации в зависимости от начального сдвигового напряжения и от температуры при различных значения сдвигового напряжения после релаксации. Разработан метод дискретных дислокаций, который позволяет определять поле напряжений в упругом теле с дислокациями при различных граничных условиях на его поверхности. Поле напряжений и перемещений внутри тела является суперпозицией напряжений и перемещений за счет дислокаций в бесконечном упругом теле, и этих величин, которые создаются за счет сил изображений дислокаций. Последние напряжения рассчитываются с использование метода конечных элементов, как решение упругой задачи, в которой в качестве граничных условий используются значения сил и перемещения, которые являются разностями заданных "внешних" граничных условий за вычетом тех сил и перемещений, которые создаются дислокациями на поверхности. Программная реализация метода использует свободно распространяемую библиотеку метода конечных элементов dealii, реализованную на языке С++. Проведены и протестированы расчеты поля напряжений и перемещений на примере задаче об определении упругих полей одной краевой дислокации в упругом теле в форме квадрата.
2 31 декабря 2016 г.-31 декабря 2017 г. Многомасштабное моделирование пластической деформации металлов с учетом их микроструктуры
Результаты этапа: В данном проекте проведено исследование пластической деформации металлов на различных масштабных уровнях. Проведено моделирование отдельных механизмов пластической деформации, связанных с движением и зарождением дислокационных петель, на атомно-молекулярном уровне методом молекулярной динамики. Построена континуальная модель релаксации напряжений за фронтом ударной волны, которая использует результаты молекулярно-динамических расчетов кинетики пластической деформации в качестве входных параметров. Разработан численный метод дискретных дислокаций в двумерной постановке, в котором пластическая деформация металлов осуществляется за счет кинетики прямолинейных краевых дислокаций. При этом в методе дискретных дислокаций данные молекулярно-динамических расчетов используются для определения скорости движения дислокаций и параметров источников зарождения дислокаций. В проекте получены следующие результаты: 1) Рассчитаны зависимости скорости зарождения частичных дислокаций в алюминии и в алюминии с зонами Гинье-Престона размером 3.5, 7.5 и 13.5 нм в зависимости от сдвиговых напряжений и температур в диапазоне от 100 до 700 К и аппроксимированы в аррениусовском виде. 2) Получены зависимости скорости движения краевой дислокации, а также краевого и винтового сегмента петли частичной дислокации в алюминии от температуры и сдвигового напряжения. 3) Обнаружено, что развитие петли частичной дислокации может происходить по трем сценариям: она либо схлопывается, либо из нее формируется полная дислокация, либо внутри нее образуется двойник, который догоняет дислокационный фронт. 4) Показано, что механизмы зарождения дислокаций вносят основной вклад в развитие степенной зависимости сдвигового напряжения от скорости пластической деформации за фронтом ударной волны. 5) Показано, что зарождение дислокаций позволяет достигать скоростей пластической деформации на упругом предвестнике выше 10^6 с-1. 6) Разработан метод дискретных дислокаций в двумерной постановке для тел конечного размера, в котором силы изображения, действующие на дислокации, рассчитываются методом конечных элементов. Реализация данного метода позволяет проводить расчеты на суперкомпьютерном комплексе. Показано, что в цеолитных формах, содержащих одновалентные катионы вода снижает упругие модули, а в формах с двухвалентными катионами - увеличивает. Показано, что расчет упругих свойств методами квантовой механики (теория функционала электронной плотности в форме функционала PBE) с использованием аппроксимации Фойга-Ройсса-Хилла позволяет добиться хорошего согласия с экспериментом для поликристаллических катионных форм цеолитов. Показано, что у цеолитов LiBIK, CaPHI и NaCaTHO есть такие кристаллографические направления, вдоль которых они являются ауксетиками, то есть имеют отрицательный коэффициент Пуассона.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".