Випуски $\rightarrow$ Том 22, випуск 1 (2021)

Пластичність: від кристалічної ґратниці до макроскопічних явищ

Л. Б. Зуєв, С. А. Бараннікова, В. І. Данілов, В. В. Горбатенко

Інститут фізики міцности та матеріалознавства СВ РАН, Академічний просп., 2/4; 634055 Томськ, Російська Федерація

Отримано 10.11.2020; остаточна версія — 10.02.2021 Завантажити PDF logo PDF

Анотація
Обговорено нові уявлення у фізиці пластичности кристалів. Запропоновано модель пластичної плинности, яка може описувати її основні закономірності. За допомогою експериментального дослідження показано, що локалізація пластичної плинности відіграє роль у розвиненні пластичної деформації. Одержані дані пояснено за допомогою принципів теорії нерівноважних систем. Вводиться квазичастинка для описування явища пластичности. Встановлено зв’язок між характеристиками локалізованої пластичности металів та їхнім положенням у Періодичній таблиці елементів. Розроблено новий модель для описування локалізованої еволюції пластичної плинности у твердих тілах. Згідно із запропонованим моделем елементарні акти пластичности, що розвиваються у деформованому середовищі, ґенерують імпульси акустичної емісії, які взаємодіють із носіями пластичности й ініціюють нові елементарні зсуви. Експериментально встановлено, що макролокалізація пластичної плинности проявляється у вигляді різних мод автохвильових процесів. Задля пояснення феномена автохвиль локалізації пластичної плинности введено нову квазичастинку — «автолокалізон»; модель уможливлює оцінити просторові та часові параметри деформаційного процесу.

Ключові слова: стопи, деформація, плазучість, самоорганізація, міцність, пластичність, локалізація, руйнування.

Citation: L. B. Zuev, S. A. Barannikova, V. I. Danilov, and V. V. Gorbatenko, Plasticity: from Crystal Lattice to Macroscopic Phenomena, Progress in Physics of Metals, 22, No. 1: 3–57 (2021); doi: 10.15407/ufm.22.01.003

Цитована література   
  1. F. Hund, Geschichte der Quanten Theorie (Zürich: Bibl. Inst.: 1975) (in German).
  2. R. Asaro and V. Lubarda, Mechanics of Solids and Materials (Cambridge: University Press: 2006).
  3. E.C. Aifantis, Acta Mech., 225: 999 (2014); https://doi.org/10.1007/s00707-013-1076-y.
  4. D. Kuhlmann-Wilsdorf, Dislocations in Solids (Eds. F.R.N. Nabarro and M.S. Duesbery) (Amsterdam: Elsevier: 2002).
  5. A. Argon, Strengthening Mechanisms in Crystal Plasticity (Oxford: University Press: 2008); https://doi.org/10.1093/acprof:oso/9780198516002.001.0001.
  6. D. Hull and D.J. Bacon, Materials Today, 14, No. 10: 502 (2011); https://doi.org/10.1016/S1369-7021(11)70217-6.
  7. U. Messerschmidt, Dislocation Dynamics during Plastic Deformation (Berlin: Springer: 2010); https://doi.org/10.1007/978-3-642-03177-9.
  8. R. Abu Al-Rub and G.Z. Voyiadjis, Int. J. Plast., 22, No. 4: 654 (2006); https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2005.04.010.
  9. L.S. Langer, E. Bouchbinder, and T. Lookman, Acta Mater., 58, No. 10: 3718 (2010); https://doi.org/10.1016/j.actamat.2010.03.009.
  10. H.M. Zbib and T.D. de la Rubia, Int. J. Plast., 18, No. 9: 1133 (2002); https://doi.org/10.1016/S0749-6419(01)00044-4.
  11. A. Seeger and W. Franck, Non-Linear Phenomena in Material Science (Eds. L.P. Kubin and G. Martin) (New York: Trans. Tech. Publ.: 1987).
  12. G. Nicolis and I. Prigogine, Self-Organization in Nonequilibrium Systems. From Dissipative Structures to Order through Fluctuations (New York: John Wiley and Sons: 1977).
  13. G. Nicolis and I. Prigogine, Exploring Complexity. An Introduction (New York: W.H. Freeman and Company: 1989).
  14. A. Olemskoi and A. Savelyev, Phys. Rep., 419, Nos. 4–5: 145 (2005); https://doi.org/10.1016/j.physrep.2005.08.003.
  15. H. Haken, Information and Self-Organization. A Macroscopic Approach to Complex Systems (Berlin: Springer: 2006).
  16. V.I. Krinsky, Self-Organization: Autowaves and Structures Far from Equilibrium (Berlin: Springer-Verlag: 1984).
  17. W. Ebeling, A. Engeland, and R. Feistel, Physik der Evolutionprocesse (Berlin: Akademie Verlag: 1992) (in German).
  18. H.J. Jensen, Self-Organized Criticality. Emergent Complex Behavior in Physical and Biological Systems (Cambridge: University Press: 1998).
  19. S.P. Kurdyumov, Int. J. Mod. Phys. C, 1, No. 4: 299 (1990); https://doi.org/10.1142/S0129183190000177.
  20. Y.L. Klimontovich, Zs. Phys. B, 66: 125 (1987); https://doi.org/10.1007/BF01312769.
  21. A. Scott, Nonlinear Science. Emergence and Dynamics of Coherent Structures (Oxford: University Press: 2003).
  22. J. Pelleg, Mechanical Properties of Materials (Dordrecht: Springer: 2013); https://doi.org/10.1007/978-94-007-4342-7.
  23. L.B. Zuev, V.I. Danilov, N.V. Kartashova, and S.A. Barannikova, Mater. Sci. Eng. A, 234–236: 699 (1997); https://doi.org/10.1016/S0921-5093(97)00242-6.
  24. P.K. Rastogi, Digital Speckle Interferometry and Related Techniques (Ed. P.K. Rastogi) (New York: John Wiley and Sons: 2001).
  25. L.B. Zuev, Autowave Plasticity. Localization and Collective Modes (Moscow: Fizmatlit: 2018) (in Russian).
  26. A. Asharia, A. Beaudoin, and R. Miller, Mat. Mech. Solids, 13: 292 (2008); https://doi.org/10.1177/1081286507086903.
  27. R.J. McDonald, C. Efstathiou, and P. Kurath, J. Eng. Mat. Tech., 131: 652 (2009); https://doi.org/10.1115/1.3120410.
  28. C. Fressengeas, A. Beaudoin, D. Entemeyer, T. Lebedkina, M. Lebyodkin, and V. Taupin, Phys. Rev. B, 79, No. 1: 14108 (2009); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.79.014108.
  29. M.A. Lebyodkin, N.P. Kobelev, Y. Bougherira, D. Entemeyer, C. Fressengeas, V.S. Gornakov, T.A. Lebedkina, and I.V. Shashkov, Acta Mater., 60, No. 9: 3729 (2012); https://doi.org/10.1016/j.actamat.2012.03.026.
  30. V.E. Vildeman, E.V. Lomakin, T.V. Tret’yakova, and M.P. Tret’yakov, Mech. Solids, 51: 612 (2016); https://doi.org/10.3103/S0025654416050150.
  31. E. Rizzi and P. Hähner, Int. J. Plast., 20, No. 1: 121 (2004); https://doi.org/10.1016/S0749-6419(03)00035-4.
  32. H. Kolsky, Stress Waves in Solids (New York: Dover Publ.: 2003).
  33. H. Kolsky and D. Rader, Fracture. An Advance Treatise (Ed. H. Liebowitz) (New York: Academic Press: 1968).
  34. V.A. Vasiliev, Y.M. Romanovsky, and V.G. Yakhno, Sov. Phys.–Usp., 22, No. 8: 615 (1979); https://doi.org/10.1070/PU1979v022n08ABEH005591.
  35. P. Hähner, Appl. Phys. A, 58: 41 (1994); https://doi.org/10.1007/BF00331515.
  36. L.B. Zuev, V.I. Danilov and N.V. Kartashova, JETP Lett., 60: 553 (1994).
  37. F.S. Crawford, Waves (New York: McGraw-Hill Comp.: 1968).
  38. L.B. Zuev, Annalen der Physik, 10, Nos. 11–12: 965 (2001); https://doi.org/10.1002/1521-3889(200111)10:11/12<965::AID-ANDP965>3.0.CO;2-N
  39. L.B. Zuev, Annalen der Physik, 16, No. 4: 286 (2007); https://doi.org/10.1002/andp.200610233.
  40. L.B. Zuev, V.I. Danilov, and S.A. Barannikova, Int. J. Plast., 17, No. 1: 47 (2001); https://doi.org/10.1016/S0749-6419(00)00018-8.
  41. L.B. Zuev, Phys. Wave Phenom., 20: 166 (2012); https://doi.org/10.3103/S1541308X12030028.
  42. G.A. Malygin, Phys. Sol. Stat., 43: 1909 (2001); https://doi.org/10.1134/1.1410630.
  43. H.G. Othmer, Nonlinear Wave Processes in Excitable Media (Eds. A.V. Holden, M. Marcus, and H.G. Othmer) (New York: Plenum Press: 1991), p. 213.
  44. V.A. Davydov, N.V. Davydov, G.V. Morozov, M.N. Stolyarov, and T. Yamaguchi, Cond. Matter Phys., 7, No. 3 (39) 565 (2004); https://doi.org/10.5488/CMP.7.3.565.
  45. B.B. Kadomtsev, Phys.–Usp., 37, No. 5: 425 (1994); https://doi.org/10.1070/PU1994v037n05ABEH000109.
  46. L.B. Zuev, Bull. Russ. Acad. Sci. Phys., 78: 957 (2014); https://doi.org/10.3103/S1062873814100256.
  47. D.J. Hudson, Statistics (Geneva: CERN: 1964).
  48. S.A. Barannikova, Tech. Phys. Lett., 30: 338 (2004); https://doi.org/10.1134/1.1748618.
  49. L.B. Zuev, S.F. Barannikova, V.I. Danilov and V.V. Gorbatenko, Phys. Wave Phenom., 17: 66 (2009); https://doi.org/10.3103/S1541308X09010117.
  50. V.V. Pustovalov, Low. Temp. Phys., 34, No. 9: 683 (2008); https://doi.org/10.1063/1.2973710.
  51. L.B. Zuev, B.S. Semukhin, and N.V. Zarikovskaya, Int. J. Sol. Struct., 40, No. 4: 941 (2003); https://doi.org/10.1016/S0020-7683(02)00612-1.
  52. G.B. Whithem, Linear and Nonlinear Waves (New York: John Wiley and Sons: 1974).
  53. M. Eigen and P. Schuster, The Hypercycle (Berlin: Springer-Verlag: 1979).
  54. D.D. Vvedensky, Partial Differential Equations (Wokingham: Addison-Wesley: 1993).
  55. R. Hill, The Mathematical Theory of Plasticity (Oxford: University Press: 1998).
  56. W. Oliferuk and M. Maj, Europ. J. Mech. A. Solids, 28, No. 2: 266 (2009); https://doi.org/10.1016/j.euromechsol.2008.06.003.
  57. A.A. Shibkov and A.E. Zolotov, JETP Lett., 90: 370 (2009); https://doi.org/10.1134/S0021364009170123.
  58. F. McClintock and A.S. Argon, Mechanical Behavior of Materials (Sydney: Addison-Wesley: 1966).
  59. A.Z. Patashinskii and V.L. Pokrovskii, Fluctuation Theory of Phase Transitions (London: Pergamon Press: 1979).
  60. L.B. Zuev and B.S. Semukhin, Phil. Mag. A, 82, No. 6: 1183 (2002); https://doi.org/10.1080/01418610208240024.
  61. L.I. Sedov, Mechanics of Continuous Media (Singapore: World Scientific: 1997).
  62. L.D. Landau and E.M. Lifshitz, Fluid Mechanics (Oxford: Elsevier: 1987); https://doi.org/10.1016/C2013-0-03799-1.
  63. V.I. Alshits and V.L. Indenbom, Dislocations in Crystals (Ed. F.R.N. Nabarro) (Amsterdam: North-Holland: 1986), p. 43.
  64. D. Caillard and J.L. Martin, Thermally Activated Mechanisms in Crystal Plasticity (Oxford: Elsevier: 2003).
  65. H. Donth, Z. Phys., 149: 111 (1957).
  66. O.M. Braun and Y. Kivshar, The Frenkel–Kontorova Model: Concepts, Methods, and Applications (Berlin: Springer-Verlag: 2004); https://doi.org/10.1007/978-3-662-10331-9.
  67. S.K. Khannanov, Fiz. Met. Met., No. 4: 14 (1992).
  68. S.K. Khannanov and S.P. Nikanorov, Tech. Phys., 52: 70 (2007); https://doi.org/10.1134/S1063784207010124.
  69. G.F. Sarafanov and V.N. Perevezentsev, Tech. Phys. Lett., 31: 936 (2005); https://doi.org/10.1134/1.2136958.
  70. I.L. Maksimov, G.F. Sarafanov, and S.N. Nagornykh, Solid State Phys., 37: 3169 (1995).
  71. G.F. Sarafanov, Phys. Sol. Stat., 43: 263 (2001).
  72. G.F. Sarafanov, Phys. Sol. Stat., 50: 1868 (2008); https://doi.org/10.1134/S1063783408100144.
  73. G.A. Malygin, Phys.–Usp., 42, No. 9: 887 (1999); https://doi.org/10.1070/pu1999v042n09ABEH000563.
  74. G.A. Malygin, Phys. Sol. Stat., 47: 246 (2005); https://doi.org/10.1134/1.1866402.
  75. G.A. Malygin, Phys. Sol. Stat., 47: 896 (2005); https://doi.org/10.1134/1.1924852.
  76. G.A. Malygin, Phys. Sol. Stat., 48: 693 (2006); https://doi.org/10.1134/S1063783406040123.
  77. Y.A. Khon, Y.R. Kolobov, M.B. Ivanov and A.V. Butenko, Tech. Phys., 53: 328 (2008); https://doi.org/10.1134/S1063784208030079.
  78. L.B. Zuev, Y.A. Khon, and S.A. Barannikova, Tech. Phys., 55: 965 (2010); https://doi.org/10.1134/S106378421007008X.
  79. E. Zasimchuk, Yu. Gordienko, L. Markashova, and T. Turchak, J. Mat. Engng. Perf., 18: 947 (2009); https://doi.org/10.1007/s11665-008-9327-0.
  80. E. Zasimchuk, O. Baskova, O. Gatsenko, and T. Turchak, J. Mat. Eng. Perf., 27: 4183 (2018); https://doi.org/10.1007/s11665-018-3515-3.
  81. A.I. Olemskoi, Theory of Structure Transformation in Non-Equilibrium Condensed Matter (New York: NOVA Science: 1999).
  82. A.I. Olemskoi and I.A. Sklyar, Phys.–Usp., 35, No. 6: 455 (1992); https://doi.org/10.1070/PU1992v035n06ABEH002241.
  83. A.I. Olemskoi, Phys.–Usp., 44, No. 5: 479 (2001); https://doi.org/10.1070/PU2001v044n05ABEH000921.
  84. G.P. Cherepanov, A.S. Balankin, and V.S. Ivanova, Eng. Fract. Mech., 51: 997 (1995).
  85. A.S. Balankin, Tech. Phys. Lett., 15: 15 (1989).
  86. Y. Bayandin, V. Leont’ev, O. Naimark, and S. Permjakov, J. Phys. IV France, 134, 1015 (2006); https://doi.org/10.1051/JP4:2006134155.
  87. O.A. Plekhov, N. Saintier, and O. Naimark, Tech. Phys., 52: 1236 (2007); https://doi.org/10.1134/S106378420709023X.
  88. O.A. Plekhov, Tech. Phys., 56: 301 (2011). http://dx.doi.org/10.1134/S106378421102023X
  89. O. Naimark and M. Davydova, J. Phys. IV France, 6: 259 (1996); https://doi.org/10.1051/JP4:1996625.
  90. O.B. Naimark, Advances in Multifield Theories of Continua with Substructure (Eds. G. Capriz and P. Mariano) (Boston: Birkhauser Inc.: 2003), p. 75.
  91. I.A. Panteleev, O.A. Plekhov, and O.B. Naimark, Izv., Phys. Sol. Earth, 48: 504 (2012); https://doi.org/10.1134/S1069351312060055.
  92. E.V. Kozlov, V.A. Starenchenko, and N.A. Koneva, Metals, No. 5: 152 (1993).
  93. B. Lüthi, Physical Acoustics in the Solids (Berlin: Springer-Verlag, 2007).
  94. G.A. Malygin, Phys. Sol. Stat., 42: 72 (2000); https://doi.org/10.1134/1.1131170.
  95. G.A. Malygin, Phys. Sol. Stat., 42: 706 (2000); https://doi.org/10.1134/1.1131276.
  96. J.K. Burnett, Theory and Uses of Acoustic Emission (New York: Nova Sci. Publ.: 2012).
  97. T. Tokuoka and Y. Iwashimizu, Int. J. Sol. Struct., 4: 383 (1968).
  98. I. Kovács, O.Q. Chinh, and E. Kovács-Csetenyi, Phys. Stat. Sol. A, 19: 3 (2002); https://doi.org/10.1002/1521-396X(200211)194:1<3::AID-PSSA3>3.0.CO;2-K.
  99. L.I. Mirkin, Handbook of X-Ray Structural Analysis of Polycrystals (New York: Consultants Bureau: 1964).
  100. O.L. Anderson, Physical Acoustics: Principles and Methods (Eds. W.P. Mason and R.N. Thurston) (New York: Academic Press: 1965), p. 43.
  101. T. Suzuki, S. Takeuchi, and H. Yoshinaga, Dislocation Dynamics and Plasticity (Berlin: Springer-Verlag: 1991).
  102. L. Zhang, N. Sekido, and T. Ohmura, Mater. Sci. Eng. A, 611: 188 (2014); https://doi.org/10.1016/j.msea.2014.05.073.
  103. R.E. Newnham, Properties of Materials (Oxford: University Press: 2005).
  104. L.B. Zuev, Tech. Phys. Lett., 31: 89 (2005); https://doi.org/10.1134/1.1877610.
  105. M.S. Ryvkin and Y.B. Rumer, Thermodynamics, Statistical Physics and Kinetics (Moscow: MIR Publ.: 1980).
  106. P. Landau, R.Z. Shneck, G. Makov, and A. Venkert, IOP Conf. Ser., 3: 012004 (2009); https://doi.org/10.1088/1757-899X/3/1/012004.
  107. L.D. Landau and E.M. Lifshitz, Statistical Physics (Oxford: Pergamon Press: 1969).
  108. E. Hug and C. Keller, Phil Mag. A, 99, No. 11: 1297 (2019); https://doi.org/10.1080/14786435.2019.1580397.
  109. L.B. Zuev and V.I. Danilov, Int. J. Sol. Struct., 34, No. 29: 3795 (1997); https://doi.org/10.1016/S0020-7683(97)00003-6.
  110. L.B. Zuev and V.I. Danilov, Phil. Mag. A, 79, No. 1: 43 (1999); https://doi.org/10.1080/01418619908214273.
  111. A. Ishii, J. Li, and S. Ogata, Int. J. Plast., 82: 32 (2016); https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2016.01.019.
  112. R.A. Andrievski and A.M. Glezer, Phys.–Usp., 52, No. 4: 315 (2009); https://doi.org/10.3367/UFNe.0179.200904a.0337.
  113. L.B. Zuev, S.A. Barannikova, and A.G. Lunev, Prog. Phys. Met., 19, No. 4: 379 (2018) (in Russian); https://doi.org/10.15407/ufm.19.04.379.
  114. V.E. Nazarov, Phys. Sol. Stat., 58: 1719 (2016); https://doi.org/10.1134/S1063783416090249.
  115. J.J. Gilman, J. Appl. Phys., 36, No. 9: 2772 (1965); https://doi.org/10.1063/1.1714577.
  116. P.W. Atkins, Quanta (Oxford: Clarendon Press: 1974).
  117. J.M. Ziman, Electrons and Phonons (Oxford: University Press: 2001).
  118. J.P. Billingsley, Int. J. Solids Struct., 38, Nos. 24–25: 4221 (2001); https://doi.org/10.1016/S0020-7683(00)00286-9.
  119. L.B. Zuev, Int. J. Solids Struct., 42, Nos. 3–4: 943 (2005); https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2004.08.009.
  120. L.B. Zuev and S.A. Barannikova, Tech. Phys., 65: 741 (2020); https://doi.org/10.1134/S1063784220050266.
  121. L.B. Zuev and S.A. Barannikova, Cryst., 9: 458 (2019); https://doi.org/10.3390/cryst9090458.
  122. H. Umezava, H. Matsumoto, and M. Tackiki, Thermo Field Dynamics and Condensed States (Amsterdam: North-Holland Publ. Comp.: 1982).
  123. E.M. Morozov, L.S. Polack, and Y.B. Fridman, Soviet Physics–Doklady, 156: 537 (1964).
  124. B. Steverding, Mater. Sci. Eng., 9: 185 (1972).
  125. S.N. Zhurkov, Phys. Sol. Stat., 25: 1997 (1983).
  126. J.J. Gilman, J. Appl. Phys., 39, No. 13: 6086 (1968); https://doi.org/10.1063/1.1656120.
  127. T. Oku and J.M. Galligan, Phys. Rev. Lett., 22, No. 12: 596 (1969); https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.22.596.
  128. B.V. Petukhov and V.L. Pokrovskii, JETP, 63: 634 (1972).
  129. E. Nelson, Dynamical Theories of Brownian Motion (Princeton University Press: 1967).
  130. P.A.M. Dirac, Directions in Physics (New York: John Wiley and Sons: 1978).
  131. Y. Imry, Introduction to Mesoscopic Physics (Oxford: University Press: 2002).
  132. E. Scerri, The Periodic Table: Its Story and Its Significance (Oxford: University Press: 2007).
  133. A.P. Cracknell and K.G. Wong, The Fermi Surface (Oxford: Clarendon Press: 1973).
  134. W. Hume-Rothery, Elements of Structural Metallurgy (London: Inst. Metals: 1961).
  135. L.D. Landau and E.M. Lifshitz, Quantum Mechanics. Non-Relativistic Theory (Elsevier: 1977); https://doi.org/10.1016/C2013-0-02793-4.
  136. G. Grimwall, B. Magyari-Köpe, V. Ozoliņŝ, and K.A. Persson, Rev. Mod. Phys., 84, No. 2: 945 (2012); https://doi.org/10.1103/RevModPhys.84.945.
  137. H. Conrad, Mater. Sci. Eng. A, 287, No. 2: 276 (2000); https://doi.org/10.1016/S0921-5093(00)00786-3.
  138. M.-J. Kim, K. Lee, K.H. Oh, I.-S. Choi, H.-H. Yu, S.-T. Hong, and H.N. Han, Scr. Mater., 75: 58 (2014); https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2013.11.019.
  139. L.B. Zuev and S.A. Barannikova, Tech. Phys. Lett., 45: 721 (2019); https://doi.org/10.1134/S1063785019070319.
  140. A.A. Shibkov, M.F. Gassanov, A.A. Denisov, A.E. Zolotov and B.I. Ivolgin, Tech. Phys., 62: 652 (2017); https://doi.org/10.1134/S1063784217040260.

Ліцензія Creative Commons
Цю статтю ліцензовано на умовах Ліцензії Creative Commons із зазначенням авторства — без похідних 4.0 Міжнародна
© Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України,