Негомогенное течение

Феноменологическое описание этого типа пластической деформации довольно детально приведено ранее. Для рассмотрения атомных механизмов, кратко суммируем основные черты этого процесса:

1. Пластическое течение ограничено полосами сдвига, число которых и ориентация определяются геометрией пластической деформации; остальная область аморфной матрицы деформируется только упруго.

2. Полосы сдвига имеют очень малую толщину, пр достижении предела текучести образуются очень быстро и формируют очень острые ступеньки на поверхности образца.

3. Деформация внутри полосы очень велика и сопровождается химическим разупорядочением, выявляемым с помощью избирательного травления, и дилатацией, выявляемой с помощью прямого измерения плотности.

4. В широком температурном интервале напряжение течения имеет очень слабую температурную зависимость и фактически по зависит от скорости деформации.

Макроскопическое сходство грубых ступенек скольжения, формирующихся под влиянием полос и линии скольжения, наблюдающихся при пластической деформации монокристаллов, натолкнуло некоторых исследователей на предположение, что негомогенная деформация в аморфных сплавах осуществляется движением локализованных в пространстве, кристаллоподобных дислокаций.

Топология образования локализованных дислокаций в аморфных системах исследовалась в работах Чаудхари и др., которые использовали метод машинного моделирования при статической релаксации моноатомных кластеров в приближении потенциала Леннарда — Джонса. Дислокации вводились с помощью процедуры, которая аналогична введению дислокаций Вольтерра в сплошной континуум: осуществлялся плоский разрез, наполовину рассекающий кластер, далее две стороны кластера смещались одна относительно другой на расстояние порядка атомного диаметра (если было необходимо, с удалением материала) и снова соединялись. После релаксации исследовалось поле напряжений в кластере. Ранние результаты показали, что поле напряжений, характерное для винтовой дислокации, можно обнаружить внутри срелаксированного кластера. Краевую дислокацию значительно труднее стабилизировать. И хотя позднее те же авторы обнаружили поле напряжений как остаточную картину от дислокации, но остаются вопросы, связанные с ее асимметрией и нерегулярностью. Длина вектора Бюргерса подобных дислокаций должна быть порядка атомного диаметра (в противном случае система легко возвращается к первоначальной конфигурации в процессе релаксации), однако остается неясным, насколько должен быть велик вектор Бюргерса для того, чтобы расщепление дислокации на частичные было энергетически выгодным. Всегда существует вероятность того, что статическая релаксация может привести к конфигурациям, которые локально метастабильны, но не реализуют переход к еще более низкому энергетическому минимуму. Эксперименты методом молекулярной динамики для некоторых кластеров с введенной дислокацией еще недостаточно убедительны: поле напряжений дислокации можно наблюдать лишь при низких температурах, но при температурах, близких к температуре стеклования, оно исчезает.

Главным в подобных экспериментах по моделированию дислокаций является вопрос о том, действительно ли определяют неоднородное течение обнаруженные поля напряжений: могут ли они двигаться, остаются ли стабильными при движении и как изменяется структура аморфной матрицы после их прохождения? Эксперименты по моделированию с применением компьютера и пузырьков процесса деформации при высоких напряжениях показали, что пластическое течение действительно реализуется множеством локализованных сдвиговых превращений, но они не могут быть идентифицированы как долгоживущие протяженные линейные дефекты типа дислокаций. На макроскопическом уровне дислокационные модели не могут объяснить ни локализацию течения с образованием малого числа полос сдвига, ни последующего разрушения вдоль полос сдвига, в результате которого образуется характерная венообразная картина поверхности разрушения.

Последнее явление можно объяснить любой моделью, предполагающей сильное размягчение, т. е. снижение вязкости, в полосах сдвига. Размягчение концентрирует деформацию внутри полосы и ослабляет стойкость полосы против разрушения при нестабильности, что и приводит к венообразному узору на поверхности разрушения. Пониженная вязкость также объясняет снижение композиционного упорядочения или, как следует из модели свободного объема, снижение плотности.

В модели Аргона негомогенное пластическое течение реализуется путем локализованных сдвиговых превращений, аналогичных образованию дислокационных петель, отличающихся от тех, которые используют для описания гомогенного пластического течения. Для объяснения температурного и силового режима обоих типов пластического течения могут быть использованы параметры, рассчитанные из условий обеспечения установившегося процесса деформации. При этом дилатация вводится как независимый параметр образования свободного объема, сопровождающего сдвиговое превращение. В предположении, что пороговое напряжение для подобного превращения снижается по мере возрастания свободного объема, можно без труда достигнуть требующегося разупрочнения и легко продемонстрировать локализацию пластического течения.

Спейпен с соавторами рассмотрели ряд проблем, используя для этой цели единый подход, заключающийся в том, что они распространили модель свободного объема, обсуждавшуюся выше, как на гомогенную, так и на негомогенную пластическую деформацию. Спейпен и Турнбулл сделали вывод, что дилатация у концентраторов напряжений (например, у микротрещин) в значительной степени обусловливает снижение вязкости. Этот механизм важен для выяснения природы зарождения негомогенной деформации, а также, как показано ниже, для торможения разрушения путем затупления уже имеющихся трещин. После зарождения полосы сдвига разупрочнение поддерживается с помощью деформационного разупорядочения: пластическая деформация постепенно разупорядочивает материал в полосе сдвига с тем более высокой скоростью, чем в большей степени процесс структурной релаксации может восстановить первоначальную структуру. Подобная идея была предложена Полком и Турнбуллом и количественно описана Спейпеном. В рамках этой модели разупорядочение обусловливается образованием свободного объема под действием сдвига как результат давления атомов на своих соседей вне полосы сдвига при высоком уровне напряжений. Этот процесс сбалансирован упорядочением, но время которого происходит аннигиляция свободного объема. В работе сделано предположение, что процесс аннигиляции состоит просто из серий диффузионных скачков. Более поздняя работа, посвященная гомогенному течению Ii обсуждавшаяся ранее, показала, что процесс аннигиляции является одним из тех, который осуществляется при структурной релаксации, с кинетикой, значительно отличающейся от чисто диффузионной по крайней мере в условиях высоких скоростей деформации. Тем не менее, первоначальная модель имела определенные успехи в рамках предположения о том, что вследствие процессов зарождения и аннигиляции устанавливается стабильное состояние, в котором свободный объем, и, следовательно, вязкость существенно зависят от напряжения. Эта картина отличается от гомогенного пластического течения, когда вязкость определяется термической предысторией (температура