Влияние дефектов структуры на отклик ОЦК-железа при наноиндентировании
Наноиндентирование - универсальный инструмент для изучения прочностных характеристик материалов. Компьютерное моделирование поведения материалов при наноиндентировании. Анализ отклика металлов с идеальной ОЦК решеткой, с дефектами различной размерности.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 29.10.2018 |
| Размер файла | 344,3 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
2
Размещено на http://www.allbest.ru/
Влияние дефектов структуры на отклик ОЦК-железа при наноиндентировании
В настоящее время активно развивается производство различных микро- и наноэлектромеханических систем. Изучение механических свойств и поведения таких систем требует применения проверенных и точных методов исследования. Эффективным универсальным инструментом для изучения прочностных характеристик материалов на наноструктурном уровне является наноиндентирование. Оно включает в себя большую совокупность технических средств исследования физико-механических свойств твердых тел в приповерхностных областях [1]. Наряду с экспериментальными методами исследования в последнее время бурно развивается компьютерное моделирование поведения материалов при наноиндентировании. В частности, многие расчеты основаны на использовании метода молекулярной динамики, поскольку его применение позволяет получить детальную информацию о динамике структурных изменений и полях напряжений исследуемого материала. Следует отметить, что отклик металлов с ГЦК решеткой при наноиндентировании достаточно подробно изучался в рамках молекулярно-динамического подхода [2-5]. Металлы с ОЦК решеткой численными методами недостаточно изучены. В рамках настоящей работы было проведено исследование отклика металлов как с идеальной ОЦК решеткой, так и с дефектами различной размерности.
Исследование проводилось на основе молекулярно-динамического подхода. В качестве объекта изучения был выбран кристаллиты ОЦК железа как с идеальной структурой, так и содержащие вакансии, поры и межзеренную границу. Описание межатомного взаимодействия проводилось на основе многочастичного потенциала, рассчитанного в приближении Финниса-Синклера. Выбранный потенциал с достаточно хорошей точностью описывает упругие характеристики, энергии образования и миграции точечных дефектов, параметр решетки и т.д. [6]. Нагружение моделируемых кристаллитов осуществлялось индентором в форме цилиндра. Для идентификации атомов, вовлеченных в формирование локальных структурных перестроек, использовался приведенный вектор смещений [2]. Моделируемые образцы имели форму параллелепипеда. Размеры кристаллитов с идеальной структурой, вакансиями и порами составляли 170Ч170Ч170 A, а кристаллита с границей зерна (ГЗ) - 230Ч170Ч170 A. Ось индентора, в качестве которого использовалось отталкивающее внешнее поле, ориентировалась параллельно нагружаемой грани кристаллитов. Внешнее поле описывалось формулой:
,
где R - радиус индентора, r - расстояние от оси индентора до атома в зоне контакта. Вдоль оси индентора моделировались периодические граничные условия. Нагружаемая грань задавалась как свободная поверхность, в то время как нескольким атомным слоям противоположной к ней грани кристаллита запрещалось смещаться в направлении индентирования. Боковые грани кристаллитов моделировались как свободные поверхности. Скорость индентирования составляла 1 м/с, радиус индентора - 10 А.
Результаты расчетов силы реакции образца в зависимости от глубины вдавливания индентора представлены на рис. 1а. Области линейного роста силы реакции от глубины вдавливания соответствуют упругому отклику кристаллитов. Начало зарождения пластической деформации можно определить по скачкообразному уменьшению силы реакции, которое сопровождалось формированием локальных структурных изменений. Анализ результатов расчетов показал, что в формировании локальных структурных изменений участвуют атомы, у которых величина приведенного вектора смещений превышает 0,2. Отметим, что для кристаллита с ГЗ пластическая деформация зарождается при меньших глубинах вдавливания. Такой отклик связан не только с наличием ГЗ в кристаллите, но и тем фактом, что линия контакта индентора была ориентирована по-другому относительно нагружаемой поверхности, чем в случае кристаллита с идеальной решеткой. Для кристаллита с порами скачкообразное уменьшение силы реакции начинается ещё раньше, чем для кристаллита с ГЗ. Индентирование образцов с вакансиями показало, что наличие вакансий, лежащих на расстоянии 5-6 параметров решетки от нагружаемой поверхности, несущественно влияет на пороговую глубину вдавливания индентора, при которой начинают генерироваться дефекты структуры. Особенности изменения кривой силы реакции кристаллитов на рис. 1а хорошо коррелирует с генерацией локальных структурных изменений (рис 1б).
а) б)
Рис. 1 Сила реакции образца (а) и доля атомов, вовлеченных в локальные структурные перестройки (б), в зависимости от глубины вдавливания индентора (d). Кривые для кристаллита с идеальной решеткой помечены цифрой 1, кристаллита с ГЗ - 2, кристаллита с порами - 3
Анализ результатов расчетов показывает, что локальные структурные изменения первоначально зарождаются в области контакта индентора с поверхностью, а затем распространяются по плоскостям скольжения к боковым граням кристаллита (рис. 2). Их выход на свободную поверхность приводит к формированию ступеньки. Следует отметить, что ГЗ препятствует распространению локальных структурных изменений в соседнее зерно, что хорошо видно на рис. 2г. Проведенные расчеты показали, что аккомодация кристаллита с ГЗ при нагружении осуществляется не только за счет генерации дефектов в области контакта, но и в области межзеренной границы.
Список литературы
наноиндексирование дефект металл
Головин Ю.И. Наноиндентирование и его возможности. Москва: Машиностроение, 2009, 312 с.
Псахье С.Г., Крыжевич Д.С., Зольников К.П. // ПЖТФ. 2012. Т. 38. выпуск 13
Болеста А.В., Фомин В.М. // Физическая мезомеханика. 2009. Т. 12. № 3. С. 73-80.
Псахье С.Г., Зольников К.П., Дмитриев А.И., Крыжевич Д.С., Никонов А.Ю. // Физическая мезомеханика. 2012. № 1. С. 23-31.
Saraev D., Miller R.E. // Acta Mater. 2006. V. 54. P. 33-45.
Mendelev M.I., Han S., Srolovitz D.J., Ackland G.J., Sun D.Y., Asta M. // Phil. Mag. 2003. V. 83. № 35. P. 3977-3994.
Zimmerman J.A., Kelchner C.L., Klein P.A., Hamilton J.C., Foiles S.M. // Phys. Rev. Lett. 2001. V. 87. P. 165507-165511.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Классификация дефектов кристаллической решетки металлов. Схема точечных дефектов в кристалле. Дислокация при кристаллизации или сдвиге. Расположение атомов в области винтовой дислокации. Поверхностные или двухмерные дефекты. Схема блочной структуры.
лекция [4,4 M], добавлен 08.08.2009Физико-химические закономерности формирования; строение и свойства материалов. Типы кристаллических решёток металлов. Испытания на ударный изгиб. Термическая и химико-термическая обработка, контроль качества металлов и сплавов. Конструкционные материалы.
курсовая работа [3,7 M], добавлен 03.02.2012Экспериментальное изучение поведения материалов и определение их механических характеристик при растяжении и сжатии. Получение диаграмм растяжения и сжатия различных материалов до момента разрушения. Зависимость между сжатием образца и сжимающим усилием.
лабораторная работа [61,4 K], добавлен 01.12.2011Отличия макро- и микроскопического строения материалов. Сравнение теплопроводности древесины и стали. Классификация дефектов кристаллического строения. Причины появления точечных дефектов. Особенности получения, свойства и направления применения резин.
контрольная работа [318,1 K], добавлен 03.10.2014Классификация физико-химических способов обработки материалов. Электроэрозионная обработка металлов. Размерная электрохимическая обработка. Ультразвуковая, светолучевая и электроннолучевая обработка материалов. Комбинированные методы обработки металлов.
реферат [7,3 M], добавлен 29.01.2012Понятие, классификация и механизм проявления деформации материалов. Современные представления про теорию разрушения материалов. Факторы, которые влияют на деформацию. Упругопластические деформации металлов и их износ. Особенности разрушения металлов.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 08.12.2010Структура композиционных материалов. Характеристики и свойства системы дисперсно-упрочненных сплавов. Сфера применения материалов, армированных волокнами. Длительная прочность КМ, армированных частицами различной геометрии, стареющие никелевые сплавы.
презентация [721,8 K], добавлен 07.12.2015Понятия и классификация нанотехнологий, виды наноструктур. Характеристика способов наноконстуирования. Исследование свойств материалов, применение и ограничения в использовании наноматериалов. Модифицирование сплавов с нанокристаллической решеткой.
курсовая работа [9,1 M], добавлен 14.07.2012Определение понятия неразрушающего контроля качества в металлургии. Изучение дефектов металлов, их видов и возможных последствий. Ознакомление с основными методами неразрушающего контроля качества материалов и продукции с разрушением и без разрушения.
реферат [185,0 K], добавлен 28.09.2014Анализ существующих видов теплоизоляционных материалов. Анализ теплоизоляционной краски: история создания, состав, сфера применения. Влияние теплоизоляционной краски на теплотехнические характеристики материалов, определение коэффициента теплопроводности.
дипломная работа [2,3 M], добавлен 10.07.2017Изучение методики испытаний на растяжение и поведение материалов в процессе деформирования. Определение характеристик прочности материалов при разрыве. Испытание механических характеристик стальных образцов при сжатии. Определение предела упругости.
лабораторная работа [363,0 K], добавлен 04.02.2014Классификация и применение процессов объемного деформирования материалов. Металлургические и машиностроительные процессы обработки металлов давлением. Методы нагрева металла при выполнении операций ОМД. Технология холодной штамповки металлов и сплавов.
контрольная работа [1,2 M], добавлен 20.08.2015Особенности проектирования подошв обуви, оценка ее долговечности, стойкости к механическим факторам износа, разновидности дефектов. Суть метода определения деформационных и прочностных характеристик низа обуви на основе конечно-элементного анализа.
автореферат [1,4 M], добавлен 24.08.2010Анализ подбора основного, подкладочного, прокладочного, прикладного материалов, фурнитуры и отделки для конкретной выбранной модели женского полупальто. Определение волокнистого состава, структуры нитей материалов верха и подкладки, сочетания тканей.
курсовая работа [631,6 K], добавлен 03.04.2012Основные климатические факторы, влияющие на атмосферную коррозию. Механизм ее возникновения. Старение неметаллических материалов в атмосферных условиях. Коррозионная устойчивость сталей и сплавов. Основные методы изучения коррозии металлов и старения.
дипломная работа [3,5 M], добавлен 02.03.2014Расчет древесно-стружечной плиты покрытия. Определение прочностных характеристик материалов, частных и поправочных коэффициентов. Конструирование и расчет трехшарнирной рамы гнутоклееной. Обеспечение долговечности несущих и ограждающих конструкций.
курсовая работа [328,6 K], добавлен 05.05.2019Роль химии в химической технологии текстильных материалов. Подготовка и колорирование текстильных материалов. Основные положения теории отделки текстильных материалов с применением высокомолекулярных соединений. Ухудшение механических свойств материалов.
курсовая работа [43,7 K], добавлен 03.04.2010Условия получения крупнозернистой структуры при самопроизвольно развивающейся кристаллизации. Диаграмма состояния системы свинец-олово. Линейные несовершенства кристаллического строения и их влияние на свойства металлов. Устранение остаточного аустенита.
контрольная работа [2,0 M], добавлен 11.01.2011Технология электронно-лучевой обработки конструкционных материалов. Электронно-лучевая плавка и сварка металлов. Лазерная обработка материалов и отверстий. Ионно-лучевая обработка материалов. Ионно-лучевые методы осаждения покрытий и ионная литография.
реферат [1,3 M], добавлен 23.06.2009Общая характеристика модели "сафари". Ассортимент материалов, применяемых для предлагаемой модели, требования к ним. Исследование ассортимента рекомендуемых материалов, их структуры и свойств. Обоснование выбора пакета материалов для изготовления платья.
курсовая работа [747,3 K], добавлен 02.05.2014
