УДК 539.621, 539.386, 004.942

DOI 10.24411/1683-805X-2019-13003

 

Методом молекулярной динамики изучен процесс пластического деформирования поликристаллического титана при скретч-тестировании. В численной модели явно учитывалась кристаллографическая ориентация отдельных зерен титана, экспериментально определенная методом дифракции обратно рассеянных электронов. Установлено, что наличие межзеренной границы приводит к нарушению трансляционной инвариантности кристаллической решетки и образованию зоны стесненной деформации, в которой происходит переход от дислокационного механизма деформации к ротационному. Последнее приводит к образованию вблизи границы раздела локальных областей кристалла, разориентированных друг относительно друга. Показано, что характер развития согласованных динамических ротаций атомов вблизи межзеренной границы определяется кристаллографической ориентацией зерен. В случае, когда одно из направлений легкого скольжения зерна совпадает с направлением перемещения индентора, в области границы зерен наблюдаются фрагментация материала и перемещение атомных кластеров вдоль плоскости границы раздела от поверхности вглубь материала. Полученные результаты позволяют объяснить экспериментально наблюдаемое различие профилей царапин в зависимости от направления перемещения индентора через межзеренную границу.

Ключевые слова: титан, скретч-тестирование, молекулярная динамика, поворотные моды деформации, граница зерна

 

The role of grain boundaries in the occurrence of rotational deformation in polycrystalline titanium during scratch testing

Molecular dynamics simulations were performed to study the plastic deformation behavior of polycrystalline titanium in scratch testing. The numerical model explicitly accounted for the crystallographic orientation of individual titanium grains, which was determined experimentally by electron backscatter diffraction. It was shown that the presence of a grain boundary violates the translational invariance of the crystal lattice and leads to the formation of a constrained deformation zone where dislocation deformation changes for rotational one. As a result, local regions misoriented relative to each other are formed near the grain boundary. The pattern of consistent dynamic rotations of atoms near the grain boundary is determined by the crystallographic orientation of grains. When one of the easy slip directions of a grain coincides with the indenter sliding direction, the material is fragmented in the grain boundary region and atomic clusters move in one direction along the grain boundary plane from the surface into the bulk of the material. The obtained results explain the experimentally observed difference in scratch profiles depending on the direction of indenter ploughing through the grain boundary.

 

Keywords: titanium, scratch testing, molecular dynamics, rotational deformation modes, grain boundary

 

А.И. Дмитриев, А.Ю. Никонов, А.Р. Шугуров, А.В. Панин  Роль границ зерен в развитии поворотных мод деформации поликристаллического титана при скретч-тестировании // Физ. мезомех. - 2019. - Т. 22. - № 3. - С. 25-35