|
В последние два - три десятилетия общепризнанным
стало положение о том, что пластическая деформация является сложным
иерархическим процессом, развивающимся немонотонно во времени и
неоднородно в пространстве. Среди всех масштабных уровней, наиболее
известными являются атомно - дислокационный и макроскопический. Между
ними находиться плохо исследованный мезоскопический масштабный и
структурный уровень. Он представлен скоплениями дислокаций, полосами
скольжения и локализованного сдвига, микро-двойниками, микротрещинами и
другими подобными объектами. Без понимания закономерностей развития
деформации на мезоуровне невозможно перебросить надежный мост между
элементарными физическими актами и макроскопическими механическими
характеристиками твердых тел, т.е. обосновать природу механических
свойств с физических позиций.
Наибольшие трудности на этом пути состоят в
описании коллективных явлений и самоорганизации в структуре, приводящих
к нестабильности, неоднородности и немонотонности пластического
течения. Необходимы высокоразрешающие методы исследования динамики
структуры, как во времени, так и в пространстве на уровне отдельных
мезоскопических событий, их статистики, корреляций, хаотической
динамики. Поэтому разработка методов, адекватных характеру изучаемых
событий и их ансамблей, количеству, амплитуде и скорости отдельных
актов, представляется актуальной задачей.
Одним из перспективных подходов к изучению
пластической деформации на мезоскопическом уровне является
использование локального нагружения хорошо аттестованным зондом и
непрерывная регистрация кинетики его погружения в материал под
действием нарастающей по тому или иному закону нагрузки. В связи с
высоким достигнутым пространственным разрешением (доли нанометров) его
принято называть наноиндентометрией (хотя глубины погружения могут
варьироваться от единиц нанометров до десятков микрометров). Однако
коммерческие нанотестеры имеют недостаточно высокое временное
разрешение, и стоит задача резкого его повышения. С ростом разрешения
увеличивается количество фиксируемых актов нестабильности течения, в
связи с чем вытекает задача их быстрой регистрации, сохранения и
анализа. Несмотря на то, что в теории информации, связи, компьютерных
технология разработано немало подходов и конкретных способов
процессинга самых разных аналоговых сигналов и дискретных временных
рядов, они плохо пригодны для работы с кривыми деформации ввиду их
специфики (нестационарности, большого динамического диапазона,
зашумленности и т.д.). Поэтому разработка и реализация методов
исследования реальной кинетики пластического течения в наношкале, а
также постановка и проведение соответствующих исследований является
актуальной задачей.
Цели
Одной из целей работы как раз и является адаптация
техники наноиндентирования к решению подобных задач. Конкретными
задачами диссертационной работы было:
1. Для получения более точного представления о
природе скачкообразной деформации на мезоуровне выбрать ряд материалов
с различной структурой, для более широкого и полного представления о
исследуемом процессе.
2. Произвести получение экспериментальных данных
на выбранных материалах при различных параметрах нагружения. Получить
временные ряды различных стадий нагружения, для выявления взаимосвязей
как на начальных, так и на конечных стадиях.
3. Произвести анализ временных рядов различными
стандартными статистическими методами (Фурье-анализ, корреляция и т.д.).
4. Исследовать изменение морфологии скачка, его
изменение во времени, зависимость от скорости деформации и материалов.
5. Адаптация сравнительно нового метода
Вейвлет-анализа для физики твердого тела в области неустойчивой
пластической деформации.
6. Тестирование методики Вейвлет-анализа
различными значениями (как стандартными, таки и специфическими
функциями, которые приближены по форме к реальным кривым нагружения).
Получение характерных взаимосвязей картины Вейвлет-коэффициентов с
элементами временного ряда. Разработка вывода результатов.
7. Проведение Вейвлет-анализа на полученных
экспериментальных данных. Анализ полученных результатов. Выявление
наличия фрактальных структур, а также их повторяемость и взаимосвязь с
элементами кривой деформации.
На защиту выносится
1. Результаты исследования собственной
электромагнитной эмиссии (ЭМЭ), сопровождающей кристаллизацию воды и
слабых водных растворов, и отражающей неустойчивой характер поведения
межфазной границы лед - вода. Установлено, что за неустойчивость фронта
кристаллизации в условиях медленного (-103 с) замерзания пробы воды
объемом 10 смЗ отвечает низкочастотная часть спектра Фурье (в полосе от
0 до 1/ 10Гц), подчиняющаяся закону / где п=2.7±0.8, а за
взаимодействие и разрушение растущих игл дендрита - высокочастотная
часть спектра (в полосе от 10Гц и выше), подчиняющаяся закону , где
п=0.95+0.1. Обнаружено, что при этом возникают чередующиеся этапы с
высокой и низкой степенью автокорреляции потока ЭМЭ, чему соответствуют
фазы самоорганизации и хаотизации мезоскопических событий в процессе
формирования поликристаллической структуры льда. Установлено, что
сигнал ЭМЭ, вызванный множественной кристаллизацией трехмерной пробы
воды, имеет монофрактальный характер со скейлингом в диапазоне около
двух порядков величины. Фрактальная размерность сигнала ЭМЭ составила
1.2±0.1. Фрактальный характер сигнала ЭМЭ обусловлен процессом
формирования фрактальной пространственной структуроы
поликристаллического льда.
2. Результаты исследования кинетики отдельных
скачков деформации при локальном деформировании поликристаллического
сплава Al-Mg2,7% и объемного аморфного сплава Pd40Cu30NilOP20.
Обнаружено, что в первом случае форма скачков закономерно меняется по
мере роста глубины погружения индентора (от десятков нм до единиц мкм),
а во втором - остается неизменной. Это отражает смену механизмов
деформирования в алюминиевом сплаве и автомодельность процесса
сдвигообразования - во втором.
3. Разработанная оригинальная программа
вейвлет-анализа, сориентированная на работу с временными рядами,
отражающими кинетику неустойчивой пластической деформации. Результаты
проведенных на компьютерных моделях исследований ее возможностей
выявлять скачки деформации в условиях, когда отношение сигнала к шуму
существенно меньше 1, обнаруживать фракталы в кинетических временных
рядах и определять их фрактальную размерность.
4. Результаты, полученные методом вейвлет-анализа
кривых деформирования поликристаллического и аморфного сплава с помощью
разработанной программы, которые позволили обнаружить скачки деформации
на более ранних стадиях нагружения, чем традиционные методы, и в фазе
разгрузки, в условиях, когда шум превышает уровень полезного сигнала.
Выявленные особенности кинетических кривых локального деформирования, в
частности, заключающихся в отсутствии признак фрактальности в
вейвлет-разложениях временных рядов для алюминий-магниевого сплава и
наличии фракталов в рядах для объемного палладиевого аморфного сплава и
высокоориентированных пленок полиэтилена. Выявленные с помощью
вейвлет-анализа особенности кинетических кривых локального
деформирования, в частности, заключающиеся в отсутствии признаков
фрактальности в алюминий-магниевом сплаве, в то время как в палладиевом
аморфном сплаве и высокоориентированных пленках полиэтилена обнаружен
фрактальный характер сигнала. В аморфе установлена взаимосвязь ветвей
фрактала с квазидискретным характером распределения длительностей
скачков деформации, в полимере обнаружено наличие симметрии для
фракталов с различными знаками вейвлет-коэффициентов.
Апробация
Результаты представлены автором на следующих
конференциях и семинарах: III Державинские чтения: Материалы научной
конференции молодых ученых (февраль 1998 года) - Тамбов: Изд-во ТГУ им.
Г.Р.Державина, 1999.; Первый Междисциплинарный семинар "Фракталы и
прикладная синергетика. ФиПС-99" (Москва, 1999); Материалы VI
Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы
материаловедения" (Новокузнецк, 1999); Второй Всероссийский семинар
«Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном
материаловедении» (Воронеж, 1999); III Международной конференции
«Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих
явлений»; XV Международной конференции «Физика прочности и
пластичности материалов» 2003; The XXI International Conference
on Relaxation phenomena in solids, Voronezh, Russia, October 5-8, 2004
Публикации
1. Иволгин В.И., Власов А.А., Величко М.П.,
Коренков В.В., Тюрин А.И. Установка для динамического микро- и
наноиндентирования IIIII Державинские чтения: Материалы научной
конференции молодых ученых (февраль 1998 года) - Тамбов: Изд-во ТГУ им.
Г.Р.Державина, 1999. С.22
2. Головин Ю.И., Шибков А.А., Шишкина О.В., Власов
А.А. Кинетика полного восстановления отпечатка после
микроиндентирования поверхности поликристаллического льда II Вестник
Тамбовского Университета. Серия: естественные и технические науки.
1999. Т. 4. № 3. С. 395-398.
3. Головин Ю.И., Шибков А.А., Желтов М.А., Королев
А.А., Власов А.А. Пространственно-временная самоорганизация
мезоскопической структуры в условиях неравновесного роста льда и
сопутствующие электромагнитные явления II Конденсированные среды и
межфазные границы. 1999. Т. 1. № 2. С. 148-154.
4. Головин Ю.И., Шибков А.А., Желтов М.А., Королев
А.А., Скворцов В.В., Власов А.А. Самоорганизация структур
неравновесного роста льда в переохлажденной воде и сопутствующих
электромагнитных явлений II Первый Междисциплинарный семинар "Фракталы
и прикладная синергетика. ФиПС-99" (Москва, 1999). С. 35-37.
5. Головин Ю.И., Шибков А.А., Желтов М.А., Королев
А.А., Власов А.А. Кинетические морфологические фазовые переходы в
условиях неравновесного роста поликристаллического льда и сопутствующие
электромагнитные явления II Материалы VI Международной
научно-технической конференции "Актуальные проблемы материаловедения"
(Новокузнецк, 1999). С. 36.
6. Головин Ю.И., Шибков А.А., Желтов М.А., Татарко
М.А., Королев А.А., Власов А.А. Пространственно-временная
самоорганизация мезоскопической структуры в условиях неравновесного
роста льда и сопутствующие электромагнитные явления II Второй
Всероссийский семинар «Нелинейные процессы и проблемы
самоорганизации
в современном материаловедении» (Воронеж,
1999). С. 36-38.
7. Шибков А.А., Головин Ю.И., Желтов М.А.,
Скворцов В.В., Королев А.А., Власов А.А., Островерхов СЮ. Кинетика,
морфология и фрактальный анализ ледяных структур, растущих в
переохлажденной воде в области гетерогенного механизма зарождения льда
0.1 К ЛТ 30 КII Конденсированные среды и межфазные границы. 2000. Т. 2.
№ 4. С. 283-294.
8. Шибков А.А., Головин Ю.И., Королев А.А., Желтов
М.А., Скворцов В.В., Власов А.А. Самоорганизация мезоструктур льда в
сильно переохлажденной воде II Вестник ВГТУ. Серия: Материаловедение.
2000. №1.8. С. 41-48.
9. Шибков А.А., Головин Ю.И., Желтов М.А., Королев
А.А., Власов А.А. Исследование кинетики и морфологии неравновесного
роста льда в переохлажденной воде II Кристаллография. 2001. Т. 46. № 3.
С. 549-555.
10. Шибков А.А., Попов В.Ф., Желтов М.А., Королев
А.А., Скворцов В.В., Леонов А.А., Власов А.А. Исследование механизмов
формирования неравновесных структур льда в переохлажденной воде II
Вестник Тамбовского Университета. Серия: естественные и технические
науки. 2001. Т. 6. № 2. С. 170-178.
11. Шибков А.А., Головин Ю.И., Королев А.А.,
Желтов М.А., Власов А.А. Самоорганизация структур неравновесного роста
льда в переохлаждено воде II Материаловедение. 2002. №2. С.26-31.
12. Головин Ю.И., Иволгин В.И., Власов А.А.
Вейвлет-анализ неустойчивого пластического течения металлических
сплавов при динамическом наноиндентировании II Вестник Тамбовского
Университета. Серия: естественные и технические науки. 2003. Т. 6. № 2.
С. 170-178.
13. Власов А.А. Головин Ю. И., Иволгин В.И.,
Лебедкин М.А. Статистический анализ неустойчивого пластического течения
при динамическом индентировании сплава А1-2,7Mg при комнатной
температуре II Тезисы докладов III Международной конференции
«Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих
явлений» 2003. С. 207-208. Издательство ТГУ
14. Головин Ю.И. Иволгин В.И., Власов А.А.
Вейвлет-анализ особенностей пластического течения при динамическом
микро- и наноиндентировании II Тезисы докладов XV Международной
конференции «Физика прочности и пластичности материалов»
2003 С. 2-102—2-103. Издательство Тольяттинского ГУ
15. Иволгин В.И., Власов А.А., Ненашева Л.С.
Вейвлет-анализ неустойчивости пластического течения сплава Al-2,7%Mg
при динамическом нано- и микроиндентировании II The XXI International
Conference on Relaxation phenomena in solids, Voronezh, Russia, October
5-8, 2004
16. Власов А.А., Иволгин В.И. Практическая
реализация Фурье- и вейвлет-анализа временных рядов, полученных в
эксперименте II Вестник Тамбовского Университета. (Серия: естественные
и технические науки) - 2004. - Т. 9. - № 4. - С. 430-437.
17. Власов А.А., Иволгин В.И. Особенности
скачкообразной деформации в металлическом аморфном сплаве Рсі Сизо
іюРго Ч Вестник Тамбовского Университета. (Серия: естественные и
технические науки) - 2004. - Т. 9. - № 4. -С. 454-459.
|
