Московская школа-лаборатория №363 проект 'Синергетика в школе'
Семинары/"Самоорганизация в твердых телах"
  Вернуться в Семинары
 
cкачать в PDF (78 Kb)
4 декабря 2003
10 "А" класс
 

"Самоорганизация в твердых телах"

  Кудряшова Ксения
 

Деформируемое твердое тело является системой, в процессе эволюции которой происходит (так же как и в других синергетических системах) самоорганизация диссипативных структур, их перестройка. Эти перестройки можно рассматривать как последовательность переходов, при которой случайность, неравновесность и необратимость приводят к порядку в системе.

Самоорганизация системы определяется ее управляющими параметрами. Управляющим параметром в твердом теле является плотность дислокаций. Дислокация – это своего рода спонтанно возникающий в системе линейный дефект (нарушение последовательности атомов). Вначале он возникает в каком–то определенном локальном месте, но потом число таких дефектов все увеличивается, и, в конце концов, они достигают критического значения. Когда плотность таких нарушений принимает критическое значение, система самоорганизуется и переходит в новое устойчивое состояние. Например, при прокатке вольфрама, о котором речь пойдет ниже, таким новым состоянием является полосовая структура, в то время как вначале вольфрам имел совершенно другую, ячеистую структуру.

Так как в каждый момент для тела, которое мы деформируем, характерна своя особенная субструктура, то для определения состояний металла при деформации, используют так называемые параметры порядка. Параметры порядка показывают степень упорядоченности (организованности) системы в окрестности заданной точки. Если функция, определяющая параметр порядка, принимает одно и тоже значение во всех точках системы, то говорят, что среда находится в упорядоченном состоянии.

При описании критических явлений, происходящих в условиях далеких от равновесных, прибегают к построению так называемых бифуркационных диаграмм. Для фазового перехода II рода соответствующая диаграмма показана на Рисунок 1.

При ?<?cr существует единственное устойчивое решение, соответствующее режиму с наивысшей симметрией. В этом случае твердое тело находится в устойчивом положении, и даже если в нем присутствуют отклонения (дислокации), то они не могут привести к изменению состояния системы. В точке ?=?cr это решение становится неустойчивым (штриховая линия), а при ?>?cr одновременно возникают новые ветви решения с более низкой симметрией, при этом параметр порядка возрастает. Указанные переходы возможны в неравновесных изначально пространственно - однородных (хорошо перемешанных) системах.

Эксперименты, выполненные на поликристаллах Cu - Al и Сu - Mn показали, что с ростом управляющего параметра (средней скалярной плотности дислокаций) в ходе эволюции субструктур наблюдается следующая цепочка дислокационных превращений: хаос - клубки - ячейки без разориентировки - ячейки с разориентировкой - полосовая субструктура.
В работах Засимчук и Исайчева были предприняты попытки проанализировать процесс перехода одной структуры в другую с позиции синергетики. Для этого был взят поликристаллический вольфрам при прокатке с определенной степенью сжатия
(рис. А). Последовательное увеличение степени сжатия вызывало появление отдельных участков локализации ПД, то есть в системе начали происходить какие-то изменения, отклонения (рис. Б); затем произошло выгибание в направлении прокатки следов рассыпавшихся границ "ряби" (рис. В); закручивание некоторых не разрушенных ячеек вокруг определенного центра; образование вытянутых в направлении прокатки одиночных границ (рис. Г) и, наконец, формирование вследствие перераспределения дефектов регулярной полосчатой структуры с четкими и тонкими границами, вытянутыми в направлении прокатки.

Рассмотренные микропревращения в металле протекают в сугубо неравновесных условиях. Поэтому естественно предположить, что выделенная дислокационная подсистема представляет собой систему диссипативного типа.

Из представленного анализа можно сделать вывод, что закономерности образования новых субструктур следует рассматривать как с позиций их организации при достижении критической плотности дислокаций, так и сточки зрения их самоорганизации в точках неустойчивости системы. В первом случае движущей силой процесса является стремление системы к локальному минимуму свободной энергии. Во втором случае процесс образования той или иной структуры контролируется стремлением системы к минимуму производства энтропии.