Формирование дислокационной структуры зоны аккомодации в системе двух механических двойников в титане

Цель. Экспериментальное исследование и математическое моделирование процессов формирования структуры в аккомодационной зоне системы клиновидных двойников в технически чистом титане.

Методы. Применялись методы микроиндентирования, химического травления, математического моделирования, электронной зондовой микроскопии.

Результаты. При формировании клинового двойника в поликристаллическом титане образуются условия для формирования дополнительного двойника в его зоне аккомодации. Формирование дополнительного двойника – это в некотором роде способ снятия высоких напряжений на вершинах. Проведенное математическое моделирование распределения напряжений в области прохождения процесса двойникования, учитывающее наличие обнаруженного скопления образованных малоугловых границ, позволяет утверждать о закономерном взаимодействии дефектов структуры с дефектами, образованными в процессе развития двойниковой прослойки.

Предложенная модель показывает, что образование малоугловых границ в результате взаимодействия существующих дефектов материала и двойникующих дислокаций приводит к изменению эпюры напряжений в зоне аккомодации, что, в свою очередь, порождает множественные малоугловые границы в виде стенок дислокаций.

Представленный физический механизм и математическая модель дают достаточно ясную картину формирования структуры и эпюры растягивающих напряжений в зоне формирования двух параллельных двойников. Обнаружено скопление малоугловых границ в зоне аккомодации клиновидного двойника закономерно сформированных в процессе ее роста.

Заключение. В работе представлены результаты экспериментальных исследований и математического моделирования процессов формирования структуры в аккомодационной зоне системы клиновидных двойников в технически чистом титане. Был учтен процесс взаимодействия структурных дефектов с двойникующими дислокациями при образовании клиновидного двойника. Показано, что это взаимодействие изменяет положение максимума напряжений вблизи границ в системе двух клиновидных двойников.

1. Никифоров А. С. Математическое моделирование неупругого деформирования ГЦК поликристаллов с учетом эволюции дислокационных скоплений // XLV Гагаринские чтения. М.: ИПМех РАН, 2019. С. 119–121.

2. Классен-Неклюдова М. В. Механическое двойникование кристаллов. М.: Изд-во Акад. наук СССР, 1960. 261 с.

3. Investigation of twinning dynamics in VT1-0 titanium using acoustic emission / N. V. Kamyshanchenko, I. S. Nikulin, M. S. Kungurtsev [et al.] // Inorganic materials: applied research. 2011. Vol. 2, nо. 2. P. 192–196. https://doi.org/10.1134/S2075113311020109.

4. Федоров В. А., Тялин Ю. И., Тялина В. А. Дислокационные механизмы разрушения двойникующихся материалов : монография. М.: Машиностроение-1, 2004. 336 с.

5. Влияние распределения дислокаций в границах двойника на зарождение микротрещин в его вершине / В. А. Федоров, В. А. Куранова, Ю. И. Тялин, С. Н. Плужников // Физика твердого тела. 2002. Т. 44, № 6. С. 1057–1059.

6. Курганов А. В. Развитие математического моделирования процесса двойникования в титане // Системный анализ и информационные технологии в науках о природе и обществе. 2017. № 1-2. С. 79–83.

7. Ostrikov O. M. Effect of the density of twinning dislocations on the configuration of stress fields near a wedge twin with different shapes of the boundaries // Applied Mechanics and Technical Physics. 2008. Vol. 49, no. 5. P. 872–876.

8. Теребушко О. И. Основы теории упругости и пластичности. М.: Наука, 1984. 320 с.

9. Тялина В. А., Мищенко С. В., Тялин Ю. И. Математическое моделирование развития и взаимодействия упругих двойников // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2014. Т. 20, № 3. С. 579–585.

10. The role of twinning deformation on the hardening response of polycrystalline magnesium from discrete dislocation dynamics simulations / H. Fan, S. Aubry, A. Arsenlis, J. A. El-Awady // Acta Mater. 2015. Vol. 92. P. 126–139.

11. Бразгина О. В., Трусов П. В. Двухуровневая модель для описания упруговязкопластического деформирования ГПУ-металлов: упрочнение для двойников // Вестник Пермского государственного технического университета. Прикладная математика и механика. 2011. № 9. С. 19–28.

12. Numerical analysis of twin-precipitate interactions in magnesium alloys / F. Siska, L. Stratil, J. Cizek, T. Guo, M. Barnett // Acta Materialia. 2020. Vol. 202. P. 80–87.

13. Formation of low-angle boundaries accompanying the deformation process by twinning in titanium / I. S. Nikulin, N. V. Kamyshanchenko, T. B. Nikulicheva, M. V. Mishunin, K. A. Vokhmyanina // Materials Letters. 2016. Vol. 182. P. 253–256.

14. Bayley C. J., Brekelmans W. A. M., Geers M. G. D. A comparison of dislocation induced back stress formulations in strain gradient crystal plasticity // International Journal of Solids and Structures. 2006. Vol. 43. P. 7268–7286.

15. Arsenlis A., Parks D. M. Modeling the evolution of crystallographic dislocation density in crystal plasticity // J. Mech. Phys. Solids. 2002. Vol. 50. P. 1979–2009.

16. Mechanism-based strain gradient crystal plasticity. II. Analysis / C. S. Han, H. Gao, Y. Huang, W. D. Nix // J. Mech. Phys. Solids. 2005. Vol. 53. P. 1204–1222.

17. Boundary layers in constrained plastic flow: comparison of nonlocal and discrete dis-location plasticity / J. Y. Shu, N. A. Fleck, E. Van der Giessen, A. Needleman // J. Mech. Phys. Solids. 2001. Vol. 49. P. 1361–1395.

18. Yaghoobi M., Allison J. E., Sundararaghavan V. Multiscale modeling of twinning and detwinning behavior of HCP polycrystals // Int. J. Plast. 2020. Vol. 127. P. 102653.

19. Мацюк К. В., Трусов П. В. Модель неупругого деформирования ГПУполикристаллов: несимметричные меры напряженно-деформированного состояния, законы упрочнения, ротация решетки // Математическое моделирование в естественных науках. 2013. Т. 1. С. 105–107.

20. Zhang R. Y., Daymond M. R., Holt R. A. A finite element model of deformation twinning in zirconium // Materials Science and Engineering: A. 2008. Vol. 473, no. 1-2. P. 139.

21. Yefimov S., Groma I., Van der Giessen E. A comparison of a statistical-mechanics based plasticity model with discrete dislocation plasticity calculations // J. Mech. Phys. Solids. 2004. Vol. 52. P. 279–300.