Деформационный рельеф в кристаллах как способ релаксации напряжений

Получена 22 марта 2017; Принята 26 апреля 2017;
Цитирование: Е.А. Алфёрова, Д.В. Лычагин. Деформационный рельеф в кристаллах как способ релаксации напряжений. Письма о материалах. 2017. Т.7. №2. С.155-159
BibTex   https://doi.org/10.22226/2410-3535-2017-2-155-159

Аннотация

В настоящей работе формирование деформационного рельефа кристалла рассматривается как способ релаксации приложенного напряжения. Показано, что процесс самоорганизации следов сдвига в структурные элементы деформационного рельефа качественно нового уровня (пачки следов, мезо- и макрополосы) направлен на снижение локальных напряжений в зоне их формирования по сравнению с областью, занятой следами сдвига. Установлено, что формирование квазипериодического деформационного рельефа происходит в условиях нестабильности Азаро-Тиллера-Гринфельда, рассчитаны критические длины волны возмущений поверхности λc для пачек следов, мезо- и макрополос. Показано, что каждый тип структурных элементов деформационного рельефа вызывает определенную локальную кривизну поверхности и повышает величину локального напряжения в месте своего формирования. На примере монокристаллов никеля выявлено, что максимальное повышение напряжения в 8.2 раза в месте выхода на поверхности создают следы сдвига, макрополосы повышают локальное напряжение в 6.3 раз, а минимальное значение характерно для мезополос (в 3.3 раза). Радиус кривизны в зоне выпуклости для макрополос самый большой (r=0.40±0.04 μm), что способствует релаксации напряжений, а для мезополос самый маленький (r=0.050±0.003 μm). Показано, что процесс самоорганизации деформационного рельефа способствует увеличению размера области со взаимосогласованной деформацией, что способствует более длительному сохранению целостности кристалла при пластической деформации. На примере ГЦК-монокристаллов никеля, алюминия, а также упорядоченного и неупорядоченного сплава Ni3Fe показано, что самоорганизация следов сдвига в пачки снижает локальное напряжение в зоне формирования пачки в 1.8 – 3.5 раза по сравнению со следами сдвига. Установлена общность выявленных закономерностей для материалов с разными значениями ЭДУ, типом скользящей дислокации (степени порядка) и кристаллографическими особенностями.

Ссылки (29)

1. S. Khoddam, H. Beladi, P. D. Hodgson, A. Zarei-Hanzaki, Surface wrinkling of the twinning induced plasticity steel during the tensile and torsion tests // Mater. Des. Elsevier Ltd, 2014. Vol. 60. P. 146 - 152.
2. D. V. Lychagin, E. A. Alfyorova Folding in FCC metal single crystals under compression // Phys. Solid State. 2015. Vol. 57, № 10. P. 2034 - 2038.
3. D. V. Lychagin, S. Yu. Tarasov, A. V. Chumaevskii, E. A. Alfyorova Strain-induced folding on [111] copper single crystals under uniaxial compression // Appl. Surf. Sci. Elsevier B. V., 2016. Vol. 371. P. 547 - 561.
4. M. Cai, S. C. Langford, J. Thomas Dickinson Orientation dependence of slip band formation in single-crystal aluminum studied by photoelectron emission // Acta Mater. Acta Materialia Inc., 2008. Vol. 56, № 20. P. 5938 - 5945.
5. G. Girardin, C. Huvier, D. Delafosse, X. Feaugas Correlation between dislocation organization and slip bands: TEM and AFM investigations in hydrogen-containing nickel and nickel-chromium // Acta Mater. Acta Materialia Inc., 2015. Vol. 91. P. 141 - 151.
6. S. Ha, К. Kim Heterogeneous deformation of Al single crystal: Experiments and finite element analysis // Math. Mech. Solids. 2011. Vol. 16, № 6. P. 652 - 661.
7. D. E. Kramer, M. F. Savage, L. E. Levine AFM observations of slip band development in Al single crystals // Acta Mater. 2005. Vol. 53, № 17. P. 4655 - 4664.
8. Tatsuya Okada, Mitsuyoshi Utani, Atsushi Osue, Nobukazu Fujii Minoru Tagami and Fukuji Inoko Slip Morphology and Recrystallization in Copper Single Crystals Tensile-Deformed along (011) and (001) Direction // Mater. Trans. 2005. Vol. 46, № 3. P. 602 - 607.
9. L. A. Teplyakova, I. V. Bespalova, D. V. Lychagin Spatial organization of deformation in aluminum [112] single crystals in compression // Phys. Mesomech. 2009. Vol. 12. P. 166 - 174.
10. H. S. Ho, M. Risbet, X. Feaugas, G. Moulin The effect of grain size on the localization of plastic deformation in shear bands // Scr. Mater. 2011. Vol. 65, № 11. P. 998 - 1001.
11. J. Man, P. Klapetek, O. Man, A. Weidner, K. Obrtlík, J. Polák Extrusions and intrusions in fatigued metals. Part 2. AFM and EBSD study of the early growth of extrusions and intrusions in 316L steel fatigued at room temperature // Philos. Mag. 2009. Vol. 89, № 16. P. 1337 - 1372.
12. J. Man, M. Valtr, M. Petrenec, J. Dluhoš, I. Kubena, K. Obrtlík, J. Polák AFM and SEM-FEG study on fundamental mechanisms leading to fatigue crack initiation // Int. J. Fatigue. 2015. Vol. 76. P. 11 - 18.
13. L. A. Teplyakova, E. V. Kozlov Formation of scale structural levels of plastic deformation localization in metal single crystals. I. Macrolevel // Phys. Mesomech. 2006. Vol. 9, № 1 - 2. P. 53 - 62.
14. X. G. Wang, J. F. Witz, A. E. Bartali, A. Oudriss, R. Seghir, P. Dufrénoy, X. Feaugas, E. Charkaluk A dedicated DIC methodology for characterizing plastic deformation in single crystals // Exp. Mech. 2016. Vol. 56, № 7. P. 1155 - 1167.
15. K. R. Magida, J. N. Florandob, D. H. Lassilab, M. M. LeBlancb, N. Tamurac and J. W. Morris Jr. Mapping mesoscale heterogeneity in the plastic deformation of a copper single crystal // Philos. Mag. 2009. Vol. 89, № 1. 77 - 107 p.
16. Lychagin D. V., Alfyorova E. A., Starenchenko V. A. Effect of crystallogeometric states on the development of macrobands and deformation inhomogeneity in [111] nickel single crystals // Phys. Mesomech. 2011. Vol. 14, № 1 - 2. P. 66 - 78.
17. D. V. Lychagin, S. Yu. Tarasov, A. V. Chumaevskii, E. A. Alfyorova Macrosegmentation and strain hardening stages in copper single crystals under compression // Int. J. Plast. Elsevier Ltd, 2015. Vol. 69. P. 36 - 53.
18. D. Lychagin, A. Chumaevskiy, E. Alferova Laws of development of deformation folds in [111] copper single crystal at axis compression // Appl. Mech. Mater. 2014. Vol. 682. P. 448 - 452.
19. D. J. Srolovitz On the stability of surfaces of stressed solids // Arta Met. 1989. Vol. 37, № 2. P. 621 - 625.
20. M. A. Grinfeld (1986). 1 // Sov. Phys. Dokl. 31, . 1986. Vol. 31. P. 831 - 834.
21. R. Asaro, W. Tiller Interface morphology development during stress corrosion cracking: Part I. Via surface diffusion // Metall. Trans. 1972. Vol. 3, № 7. P. 1789 - 1796.
22. P. V. Kuznetsov, Yu. I. Tyurinb, I. P. Chernov, T. I. Sigfussonc Grinfeld instability as a mechanism of the formation of self-similar structures on aluminum single-crystal foils under cyclic tension // Phys. Solid State. 2012. Vol. 54, № 12. P. 2429 - 2436.
23. P. V. Kuznetsov, V. E. Panin, I. V. Petrakova Grinfeld instability in the formation of a tweed structure at the Al crystal surface under cyclic tension // Phys. Mesomech. 2010. Vol. 13, № 1 - 2. P. 70 - 78.
24. W. H. Yang, D. J. Srolovitz Surface morphology evolution in stressed solids: surface diffusion controlled crack initiation // J. Mech. Phys. Solids. 1994. Vol. 42, № 10. P. 1551.
25. R. Spatschek, E. A. Brener Fracture and the Grinfeld instability // J. Cryst. Growth. 2005. Vol. 275, № 1 - 2. P. 307 - 311.
26. D. H. Yeon, P. R. Cha, M. Grant Phase field model of stress-induced surface instabilities: Surface diffusion // Acta Mater. 2006. Vol. 54, № 6. P. 1623 - 1630.
27. W. W. Mullins Theory of thermal grooving // J. Appl. Phys. 1957. Vol. 28, № 3. P. 333 - 339.
28. L. A. Teplyakova, D. V. Lychagin, E. V. Kozlov Shear localization in deformed Al single crystals with a compression axis orientation [001] // Phys. Mesomech. 2003. Vol. 6, № 1 - 2. P. 19 - 24.
29. D. V. Lychagin, E. A. Alfyorova, A. S. Tailashev Misorientation Development During the Formation of Macrobands in the [001] Nickel Single Crystals // Russ. Phys. J. 2015. Vol. 58, № 5. P. 717-723.

Другие статьи на эту тему