Ю. Г. Кабалдин, Д. А. Шатагин

КВАНТОВЫЙ ПОДХОД К ПРОЦЕССАМ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ УСТАЛОСТНОМ НАГРУЖЕНИИ

(Нижегородский государственный технический университет)

Повышение надежности и долговечности машин обуславливает необходимость разработки металлических материалов с высокими эксплуатационными свойствами, зависящих от их структурного состояния и его устойчивости как при статистических, так и усталостных нагрузках.

В настоящее время существуют различные взгляды на механизмы структурных превращений в дефектной системе металлических материалов предшествующих возникновению микротрещин. В ряде работ структурные превращения рассматриваются с позиции теории синергетики как неравновесный фазовый переход, с образованием диссипативных структур в результате самоорганизации.

В последние годы развиваются новые представления о процессах деформации и разрушения металлических материалов, в основу которых положено использование положений теории синергетики. В работах В.Е.Панина твердое тело при деформации рассматривается как многоуровневая самоорганизующая среда, в которой механизмы деформации на разных масштабных уровнях органически взаимосвязаны и самосогласованны в соответствии с принципом масштабной инвариантности. В ходе механического нагружения система эволюционирует и адаптируется к приложенным воздействиям, а элементы ее внутреннего строения (микроструктура) способны к саморегуляции. Пластическая деформация и разрушение нагруженных твердых тел связанны с потерей устойчивости на различных структурно-масштабных уровнях. Наиболее полно механизмы пластического течения изучены на микромасштабном уровне, связанном с деформационными дефектами кристаллической решетки твердых тел, теоретическое описание которых проводится на основе теории дислокаций.

Следует, однако, отметить, что при рассмотрении пластической деформации на различных масштабных уровнях, механизм их согласования не изучен. Как отмечает В.Е. Панин, описать их на основе микроскопического подхода математически затруднительно. Требуется также дальнейшее изучение механизма пластической деформации как результат движения дефектов кристаллического строения (дислокаций), определяющего структурные изменения в дефектной подсистеме, а также их взаимодействие с электронной подсистемой, механизм формирования субграниц и их роль в
процессах деформации и зарождения микротрещин.

В.Е. Паниным указывается, что реакция системы дислокаций на внешнее воздействие определяется не столько индивидуальными свойствами дефекта, сколько солитонными свойствами ансамбля в целом. Иначе говоря, дислокацию можно представить как солитон, обладающего волновым пакетом
с длиной волны - λ и частотой – ν. Солитонными свойствами, по-видимому, обладает каждая дислокация, но в большей степени они проявляются при их кооперативном взаимодействии, образующих ансамбли (кластеры). Тем самым, волновой пакет является характеристикой, как отдельной дислокации, так и кластера дислокаций. Поэтому результирующее движение дислокаций в ансамбле будет определяться их синхронизацией. Наделение дислокаций волновым пакетом позволяет описать ее эволюцию волновой функцией Шредингера и использовать квантовый подход для анализа структурных изменений как в дефектной, так и электронной подсистеме.

При этом центральным моментом при построении волнового механизма движения дислокаций, является идея о механизме подкачки ее энергией для перестройки их в субграницы.. В термодинамических неравновесных атомных системах, это связано с изменением (генерацией) волн, излучаемых атомами при возбуждении электронов, прежде всего в электронной подсистеме ядер дислокаций, имеющей атомную структуру. Исходя из квантовых представлений, определена ν_ð- частота колебаний дислокаций из выражения: Е_ð=h ν_ð, или ν_ð = , где Еð- энергия дислокации, h - постоянная Планка. Расчет ν_ð при Еð =5 электронвольт, частота ν_ð ~10^-13 с, т.е. находится в диапазоне гиперзвуковых волн, совпадающих с частотой волн смещения, излучающих возбуждёнными атомами. Иначе говоря, подкачка энергии движущейся дислокации определяется резонансными явлениями в квантовой системе. Такой подход объясняет наличие порогового значения плотности дислокаций при формировании субграниц.

Таким образом, согласно нашей модели, решающим фактором в перестройке (самоорганизации) дислокаций, является волновой характер движения дислокаций. Причем движущейся силой перестройки дислокаций в упорядоченные субструктуры, как указывали выше, являются резонансы. В этой связи, вихревая упаковка структуры субграниц, обусловлена взаимодействием и наложением друг на друга групп дислокаций, имеющих различные частоты.

Ротационная укладка группы дислокаций в субграницах (это установлено при электронной микроскопии) связана, на наш взгляд, наличием у них информации. Дело в том, что согласованное движение групп дислокаций и структурные изменения не могут быть реализованы без обмена между ними и другими дефектами информацией. Известно, что электроны в ядрах дислокаций обладают спином. Спин - проявление квантового характера развития микромира. Поэтому направление спинов будет оказывать не только стягивающее действие с закручиванием при коллективном взаимодействии дислокаций, но и влиять на обмен информацией между ними, т.е. между ядрами дислокаций по механизму квантовой телепортации.

Таким образом, разработанная нами квантовая модель самоорганизации дислокаций в дефектной подсистеме основывается на определяющей роли внутреннего механического поля и волнового характера движения дислокаций в процессе структурообразования субграниц. Поэтому формирование субграниц следует рассматривать как квантовое явление, в котором большую роль играет квантовый (волновой) хаос, обусловленный резонансными явлениями. Следует также отметить, что толщина субграниц, составляет порядка ~20…30 нм. Поэтому структурные переходы в дефектной подсистеме можно классифицировать как наноструктурирование. Образование устойчивых наноструктур в дефектной подсистеме в виде субграниц объясняет их повышенную сопротивляемость внешним нагрузкам.

Проведенный термодинамический и квантовый анализ позволил предложить обобщенную модель механизм зарождения микротрещин и их дискретного роста при усталостном нагружении, как результат последовательных, согласованных переходов на различных структурных уровнях. На микроуровне, размножение дислокаций приводит к росту искажения кристаллической решетки и снижению ее сдвиговой устойчивости с образованием разорванных межатомных связей и полос
локализации деформации. Переход хаотической дислокационной структуры в кристаллической решетке, по мере роста плотности дислокации в ячеистую и полосовую, как результат эволюции дефектной подсистеиы, контролируется внутренним механическим полем, являющимися параметром порядка и информатором. Формирование наноструктур в виде субграниц и рост степени перекрытия электронных орбиталей атомов, повышает сдвиговую устойчивость кристаллической решетки движению вновь генерируемым дислокациям при дальнейшем росте деформации. Однако образование устойчивых полос скольжения в зонах локализации деформации, по мере роста числа циклов
нагружения, накопление здесь энтропии, разрушение субграниц и снижение устойчивости атомных кластеров, вследствие роста амплитуды колебаний атомов, разрушение переходит на более высокий структурный (мезо-) уровень. В результате, накопленная деформация передается в смежные зерна, либо в приграничную зону деформации, вызывая прорастание микротрещин в смежные зерна, либо они расслаивается на межзеренных границах. Квантовый подход позволил также предложить нанокластерный механизм согласованного взаимодействия деформационных дефектов, образованных на микроуровне, с мезоуровнем, рассматривая их как единую квантовую систему со смешанным состоянием и декогеренцией. Взаимодействие деформационных дефектов в этой смешанной квантовой системе при их переходе из зерна в зерно возможно, если потенциальная энергия дислокационного кластера достаточна для преодоления границ зерен. Предложенный механизм трещинообразования металлов подтверждается экспериментальными исследованиями. Современное состояние квантовой механики позволяет описать смешанное квантовое состояние системы математически.