Обобщены экспериментальные данные о закономерностях формирования структурных состояний с высокой кривизной кристаллической решетки в субмикро- и нанокристаллах металлических материалов, формирующихся в различных условиях интенсивного механического воздействия. установлены зависимости количественных параметров этих состояний от способности материала к их релаксации, особенностей его нанокристаллической структуры, величины и способа деформации. Проведен анализ основных факторов, определяющих эти параметры и характеристики упругонапряженного состояния в зонах высокой кривизны кристалла.

Обобщены результаты электронно-микроскопических исследований структурных состояний с высокой кривизной кристаллической решетки, формирующихся в широком классе металлических материалов в различных условиях интенсивной пластической деформации: прокатка, равноканальное угловое прессование, механическая активация в планетарных шаровых мельницах и кручение на наковальнях Бриджмена. Выделено два типа таких состояний: субструктура с упругопластической кривизной кристаллической решетки десятки градусов на мкм, формирующаяся в процессе накопления высокой плотности избыточных дислокаций одного знака, и состояние с упругой кривизной кристалла до нескольких сотен градусов на мкм в нанообъемах размерами несколько нанометров. Проведен анализ условий формирования этих состояний, особенностей их эволюции и роли в реализации различных механизмов пластической деформации и формирования нанокристаллических структур.

Показано, что характерными особенностями наноструктурного состояния после большой деформации прокаткой сплава Мо-47% Re-0,4% Zr (вес %) при комнатной температуре являются значительная плотность двойников деформации с сильно фасетированными некогерентными границами микрополос переориентации со специфическим спектром большеугловых разориентировок вокруг направлений типа (110). С использованием представлений о прямых плюс обратных (по альтернативным системам) мартенситных превращениях как механизмах пластической деформации и переориентации кристаллической решетки проведен анализ возможных механизмов формирования этих состояний.

Проведено электронно-микроскопическое исследование особенностей микроструктуры нанополос переориентации, формирующихся в никеле и сплаве V-4Ti-4Cr при интенсивной пластической деформации на наковальнях Бриджмена. Показано, что образование таких нанополос может быть описано в рамках квазивязкого механизма движения нанодиполей частичных дисклинаций, контролируемого потоками неравновесных точечных дефектов в полях высоких локальных градиентов нормальных компонент тензора напряжений. Реализация этого механизма обеспечивает дополнительные возможности наноструктурирования дефектной субструктуры при пластической деформации металлических материалов с образованием структурных состояний с размерами нанокристаллов нескольких нанометров.

Представлены результаты электронно-микроскопического исследования микроструктуры сплава Мо-47% Re-0,4% Zr после деформации прокаткой при комнатной температуре. Особое внимание уделено исследованию анизотропии формирующихся при этом микрополосовых наноструктурных состояний и высокоэнергетических дефектных субструктур с высокими значениями кривизны кристаллической решетки, плотности дисклинаций и локальных внутренних напряжений. Представлен дисклинационный механизм переориентации как механизм фрагментации внутренней структуры микрополос.

Методами просвечивающей электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа проведено изучение особенностей эволюции зеренной и дефектной структуры никеля в процессе деформации кручением под давлением. Выявлены характерные для различных этапов пластической деформации механизмы переориентации кристаллической решетки. Обсуждаются условия и особенности кооперативного характера реализации различных механизмов структурообразования в процессе интенсивного деформационного воздействия.

Представлены результаты комплексного исследования особенностей микроструктуры и закономерностей упрочнения меди после механической активации в планетарных шаровых мельницах, кручения под давлением и комбинированной обработки, включающей механическую активацию и последующую консолидацию кручением под давлением на наковальнях Бриджмена. Обсуждаются основные структурные факторы, определяющие закономерности упрочнения в зависимости от способа и степени деформации.

Представлены результаты электронно-микроскопического исследования неравновесных структурных состояний с высокими значениями кривизны и градиентов кривизны кристаллической решетки. формирующихся в объемных наноструктурных металлических материалах, полученных методами интенсивной пластической деформации. Изложена методика их электронно-микроскопической аттестации, исследования внутренних напряжений и градиентов (моментов) этих напряжений, локализованных на субмикронном масштабном уровне. Предложена структурная модель этих состояний как состояний с высокой континуальной плотностью дефектов (дислокаций и дисклинаций) в объеме и на границах зерен.

Проведено обобщение результатов структурной аттестации и измерения параметров микротвердости металлических материалов после кручения в наковальнях Бриджмена в зависимости от степени пластической деформации и типа кристаллической решетки. Показано, что для высокопрочных материалов на основе ОЦК металлов в процессе кручения под давлением характерно формирование анизотропного субмикрокристаллического структурного состояния с последующей эволюцией в структуру двухуровневого типа.

Проведены результаты электронно-микроскопического исследования особенностей высокодефектного структурного состояния, формирующегося в никеле (99,998%) после интенсивной пластической деформации кручением под давлением при комнатной температуре. С применением специальных методов просвечивающей электронной микроскопии качественно определены характерные параметры зеренной и дефектной структур. на основе полученных экспериментальных данных выполнена оценка величин локальных внутренних напряжений и ссответствующих им градиентов на субмикромасштабном уровне. Рассмотрены возможные механизмы, обеспечивающие формирование субмикрокристаллического структурного состояния.

В зернах динамической рекристаллизации никеля в процессе деформации кручением на наковальнях Бриджмена обнаружено явление локализации деформации в области упругих дисторсий, приводящее к формированию нанополос переориентации со значениями упругой кривизны кристаллической решетки в сотни градусов на мкм. Показано, что образование этих нанополос осуществляется движением нанодиполей частичных дисклинаций — зон заторможенных упругих сдвигов и поворотов, характерной особенностью которых являются более высокие, по сравнению с окружением, локальные внутренние напряжения и их градиенты.

Strain localization in the region of elastic distortions is revealed in nickel dynamic recrystallization grains during torsion in Bridgman anvils, which leads to the formation of reorientation nanobands with the elastic lattice curvature equal to hundreds of degrees per micron. It is shown that the nanobands are formed by the motion of partial disclination nanodipoles, i.e., zones of constrained elastic shear and rotations distinguished by extremely high local internal stress gradients.

Проведено комплексное исследование особенностей микроструктуры порошка ниобия после механической активации в энергонапряженной планетарной шаровой мельнице. Обнаружено формирование высокодефектных наноструктурных состояний с высокими значениями кривизны кристаллической решетки и высоким уровнем локальных внутренних напряжений. Предполагается, что наблюдаемое состояние является важным каналом аккумулирования энергии деформации в процессе интенсивного деформационного воздействия.

Методом просвечивающей электронной микроскопии исследованы особенности эволюции микроструктуры и изменения микротвердости Та в зависимости от величины пластической деформации в процессе кручения на наковальнях Бриджмена при комнатной температуре. Выполнена количественная аттестация зеренной и дефектной структуры материала и величины локальных внутренних напряжений на разных стадиях деформационного воздействия. Проведен анализ механизмов формирования субмикрокристаллических и наноструктурных состояний и закономерностей изменения микротвердости в зависимости от особенностей дефектной субструктуры, степени деформации и расстояния от оси кручения.

Методами просвечивающей дифракционной электронной и растровой микроскопии и методом рентгеноструктурного анализа проведено исследование структуры деформированного при различных температурах (Т) сплава Ni3Al, легированного B и Hf. Сплав был приготовлен методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Исследования выполнены для степени деформации, соответствующей пределу текучести сплава (s0.2). Выбор температуры деформации определялся видом аномальной зависимости s0,2 = f (Т) исследуемого сплава, а именно: 20 и 5900С (до пика предела текучести), 7600С (вблизи пика предела текучести) и 1000°C (за пиком предела текучести). Изучена зеренная структура. Измерены параметр кристаллической решетки и степень дальнего атомного порядка. Определен фазовый состав сплава. Выявлено влияние легирования бором и гафнием на морфологию структуры сплава. Изучена дефектная структура, измерены плотность дислокаций и внутренние напряжения.

Проведенный анализ низкочастотного спектра акустической эмиссии при высокотемпературной пластической деформации алюминия свидетельствует, что его дискретный вид обусловлен перераспределением колебательной энергии первичного акустического сигнала по резонансным колебаниям стоячих волн резонаторов. В слабоустойчивой кристаллической среде колебания стоячей волны активируют элементарные деформационные сдвиги в некотором объеме. Линейные размеры этой области связаны с длиной стоячей волны, определяющей макроскопический масштаб корреляции. Коррелированные деформационные сдвиги генерируют акустические сигналы, в результате интерференции которых формируется единичный акустический сигнал аномально высокой амплитуды. В слабоустойчивом состоянии кристаллической решетки активация элементарных пластических сдвигов может быть осуществлена в результате совместного действия статических сил, тепловых флуктуаций и динамических сил стоячих акустических волн.??.

Методом просвечивающей электронной микроскопии проведено исследование особенностей структурных состояний, формирующихся в сплаве V-4%Ti-4%Cr, в зависимости от режимов его термомеханической обработки с применением метода многократного всестороннего прессования. Показано, что использование этого метода позволяет модифицировать гетерофазную и зеренную (субзеренную) структуру сплава и существенно повысить характеристики его прочности и пластичности.

С использованием методов просвечивающей электронной микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа выполнено исследование изменения микроструктуры, напряжений и элементного состава в тонких фольгах на поперечных сечениях градиентного покрытия системы Ti—Al—Si—N. Показано, что с ростом по толщине покрытия концентрации легирующих нитрид титана элементов его структура меняется от столбчатых зерен субмикронного размера к нанокристаллическим зернам. Для отмеченных структурных состояний установлено изменение величин структурных характеристик (параметр и изгибы-кручения кристаллической решетки, размеры кристаллов и тип внутризеренной дефектной структуры) и уровня остаточных напряжений. Обнаружено изменение величины и знака остаточных напряжений при смене типа структурного состояния.??.

Изложены физические основы теории металлического состояния, освещаются вопросы структуры чистых металлов, твердых растворов и интерметаллических соединений, электронная и кристаллическая структура металлов и сплавов. Рассматриваются основы термодинамики, принципы построения диаграмм состояния и теория диффузии, основные вопросы теории затвердевания: гомогенное и гетерогенное зарождение, рост дендритных и ячеистых кристаллов и т. д. Для научных работников, занятых в области физики металлов, металловедов, работников заводских лабораторий, а также преподавателей, аспирантов и студентов старших курсов металлургических и машиностроительных институтов.

Проведено исследование связи между параметрами микроструктуры и механическими свойствами сплавов системы Mo-47%Re (вес. %) после различных степеней интенсивной пластической деформации кручением под давлением. Установлено, что характерной особенностью материалов после такого способа деформационного воздействия является формирование анизотропного структурного состояния. Показано, что в сплавах формируются двухуровневые структурные состояния, обеспечивающие значительное увеличение параметров микротвердости.

В деформируемом твердом теле следует рассматривать две самосогласованные функциональные подсистемы: 3D кристаллическую и 2D планарную (поверхностные слои и все внутренние границы раздела). Первичное пластическое течение в виде нелинейных волн структурных трансформаций развивается в планарной подсистеме, которая не имеет трансляционной инвариантности и является термодинамически неравновесной. Планарные нелинейные потоки структурных трансформаций наномасштабного уровня формируют кривизну кристаллической структуры в ЗD-подсистеме, в которой возникают бифуркационные межузельные структурные состояния. Они обусловливают развитие принципиально нового эффекта —пластической дисторсии при пластической деформации и разрушении твердых тел, которая не учитывается в механике сплошной среды и механике разрушения. Приводится обоснование ведущей роли пластической дисторсии в генерации и кристаллографическом скольжении дислокаций, в пластичности, сверхпластическом течении и локализации пластической деформации, в развитии механизмов разрушения твердых тел.

Any deformed solid represents two self-consistent functional subsystems: a 3D crystal subsystem and a 2D planar subsystem (surface layers and all internal interfaces). In the planar subsystem, which lacks thermodynamic equilibrium and translation invariance, a primary plastic flow develops as nonlinear waves of structural transformations. At the nanoscale, such planar nonlinear transformations create lattice curvature in the 3D subsystem, resulting in bifurcational interstitial states there. The bifurcational states give rise to a fundamentally new mechanism of plastic deformation and fracture—plastic distortion—which is allowed for neither in continuum mechanics nor in fracture mechanics. The paper substantiates that plastic distortion plays a leading role in dislocation generation and glide, plasticity and superplasticity, plastic strain localization and fracture.

Проведено системное структурное исследование механизмов деформации и формирования частиц износа на поверхностях трения металлических материалов. Выявлена иерархия структурно-масштабных уровней пластической деформации и разрушения при изнашивании материалов. Ведущим в иерархической самоорганизации многоуровневых процессов формирования частиц износа является наномасштабный уровень, где в зонах локальной кривизны кристаллической решетки возникают межузельные бифуркационные структурные состояния, развиваются пластическая дисторсия и механизмы движения неравновесных точечных дефектов, определяющие нелинейную динамику структурообразования и процесса изнашивания поверхностных слоев. Неравновесные вакансии в узлах решетки в условиях пластической дисторсии формируют механизмом коалесценции микропористость, которая является прекурсором пластических сдвигов мезо- и макромасштабов, определяющих образование частиц износа.

A comprehensive structural study has been performed to explore deformation and wear debris formation on friction surfaces of metallic materials. A hierarchy of structural scales of plastic deformation and failure during wear has been established. The nanoscale plays the major role in the hierarchical self-organization of multiscale debris formation processes. On this scale, bifurcational interstitial states arise in zones of local lattice curvature, with plastic distortion and motion of nonequilibrium point defects which determine the nonlinear dynamics of structure formation and wear of surface layers. Nonequilibrium vacancies on lattice sites form microporosity through the coalescence mechanism under plastic distortion. The microporosity is a precursor of meso- and macroscale plastic shearing that defines wear debris formation.

С использованием методики электронно-микроскопического темнопольного анализа изгиба-кручения кристаллической решетки и измерения микротвердости выполнено исследование изменения структурно-фазового состояния и свойств покрытий на основе нитрида титана в процессе отжигов в вакууме до температуры 1573 К. Показано, что в покрытиях с субмикронными зернами, фрагментированными на наноразмерные субзерна, определяющее значение для повышения твердости имеют величины локальных остаточных упругих напряжений, связанных с упругопластическим изгибом кристаллической решетки в областях избыточной плотности дислокаций одного знака либо зернограничными концентраторами напряжений. Определено, что в таких покрытиях при высоких температурах отжига огрубление зерен и возврат внутризеренной дефектной структуры развивается неоднородно с сохранением высоких значений плотности образующих ее дислокаций и малоугловых границ при невысокой кривизне решетки. При отжигах нанокристаллических покрытий установлено определяющее влияние интенсивности выделения частиц вторых фаз на основе легирующих элементов на твердость, характеристики структурного состояния и уровень локальных напряжений, нанокристаллов нитрида TiN.

Методом электронной микроскопии было проведено исследование структуры многослойных покрытий, состоящих из чередующихся слоев Si-Al-N и Zr-Y-O одинаковой толщины. Было показано, что границы между различными слоями достаточно резкие, химический состав в каждом слое однородный. В покрытии содержится в основном нанокристаллический ZrО2 и близкие к аморфному состоянию слои на основе Si-Al-N. Установлено, что кривизна-кручение кристаллической решетки и внутренние упругие напряжения в слое зависят от поперечного размера зерна в слое Zr-Y-O. Чем больше поперечный размер зерен в слое, тем меньше кривизна-кручение кристаллической решетки и внутренние упругие напряжения.??.

Представлены результаты электронно-микроскопического исследования особенностей микроструктуры сплава V-4Ti-4Cr после интенсивной пластической деформации методом кручения под давлением на наковальнях Бриджмена. С применением методики темнопольного анализа дискретных и непрерывных разориентировок изучены параметры дефектной структуры объема и границ зерен. Проанализированы поля локальных внутренних напряжений и градиенты этих напряжений на субмикронном масштабном уровне. Обсуждаются механизмы формирования субмикрокристаллического структурного состояния.

Проведено сравнительное исследование структурных состояний, формирующихся в ОЦК сплавах на основе V и Mo-Re после больших пластических деформаций кручением на наковальнях Бриджмена и прокатной при комнатной температуре. Методами просвечивающие электронной микроскопии определены количественных параметры зеренной и дефектной структуры. Показано, что характерной особенностью исследованных материалов является формирование после больших степеней деформации двухуровневых структурных состояний - субмикрозерен размерами не более 200 нм с высокоугловыми границами, фрагментированных на нанокристаллы размерами от 5 до 20 нм с малоугловыми разориентировками.

Обобщен опыт исследований физических эффектов в диссипативных структурах методами обработки изображений. в том числе с применением преобразования Фурье. Исследованы диссипативные структуры в аморфных и нанокристаллических пленках. Рассмотрено моделирование процессов взрывной кристаллизации и формирующихся атомных структур. Предназначена для специалистов в области материаловедения и физики конденсированного состояния. Может быть полезна аспирантам и студентам, интересующимся электронной микроскопией.

Методами спекл-интерферометрии и измерения скорости распространения ультразвука исследована локализация деформации в сплаве на основе Zr. Показано, что картина локализации деформации эволюционирует в ходе пластического течения и различна в разных слоях прокованной заготовки. Проанализирована связь локализации с микроструктурой сплава в соответствующих участках поковки. Установлены принципиальная применимость методик для анализа запаса пластичности заготовок циркониевого сплава для ТВЭЛьных труб.

Фазовый состав, тонкая структура интерметаллических покрытий исследована методами электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа. Показано, что интерметаллид Ni3Al является основной фазой покрытия для всех исследованных образцов. Ионная имплантация покрытия ионами алюминия и бора приводит к изменению параметра решетки, параметра дальнего атомного порядка, изменению внутренних упругих напряжений, размеров зерен и типа дислокационной структуры.

Рассмотрено образование дефектов кристаллической решетки в зоне концентратора напряжений как локальное структурное превращение кристалла, протекающее в два этапа. На первом этапе кристалл переходит в сильновозбужденное состояние. Получена зависимость вероятности образования сильновозбужденного состояния от величины механических напряжений и энергии возбуждения этого состояния. Константа скорости реакции указанного процесса определяется формулой, подобной формуле Журкова. На втором этапе сильновозбужденное состояние под действием напряжений переходит в структурное состояние, соответствующее кристаллу с дефектом. Проанализировано влияние размера концентратора напряжений на концентрацию образующихся дефектов различного типа.

Приведены результаты экспериментальных исследований формирования и эволюции градиентных структурно-фазовых состояний и дефектной субструктуры сталей и сплавов, подвергнутых ударному нагружению, прокатке, сварке. высокотемпературной цементации, мало- и многоцикловой усталости с обработкой токовыми импульсами. электронно-лучевой обработке, закалке из расплава. Методами оптической, растровой и просвечивающей электронной микроскопии выполнен анализ зеренной и тонкой дефектной структуры и дислокационных субструктур при таких видах воздействия, получены количественные зависимости параметров градиентных структурно-фазовых состояний от расстояния до поверхности обработки. Обсуждены возможные механизмы и природа формирования таких состояний. Книга предназначена для научных и инженерно-технических работников научно-исследовательских институтов, заводских лабораторий, специализирующихся в областях физики конденсированного состояния, металловедения и термической обработки металлов и сплавов и может быть полезна преподавателям, аспирантам и студентам вузов соответствующих специальностей.

С применением методов рентгеноструктурного анализа, растровой и просвечивающей электронной микроскопии проведено исследование особенностей микроструктуры порошка тантала в зависимости от интенсивности механической активации. Количественно аттестованы параметры зеренно-субзеренной и дефектной структуры. Обсуждаются особенности и механизмы формирования высокодефектных структурных состояний и их влияние на параметры микротвердости.

Методами дифференциальной сканирующей калориметрии, рентгеновской дифрактометрии, а также про¬свечивающей и растровой электронной микроскопии исследованы фазовые превращения и стабильность струк¬туры легированного цирконием ультрамелкозернистого сплава системы Al-Mg-Li при нагреве. Установлено, что при повышении температуры в сплаве формируются частицы S-фазы двух типов, отличающиеся структурой кри¬сталлической решетки. Показана важная роль S-фазы в обеспечении высокой термической стабильности ультрамелкозернистой структуры, полученной методами интенсивной пластической деформации.

В рамках концепции создания многокомпонентных нанокомпозитных покрытий, предполагающей одновременное зарождение островков различных взаимно нерастворимых или малорастворимых фаз при самоорганизации микроструктуры в процессе синтеза, разработаны и получены покрытия системы Al-Cr-Si-Ti-Cu-N. С применением методов рентгеноструктурного анализа, растровой и просвечивающей электронной микроскопии проведено комплексное исследование влияния режимов ионно-плазменного синтеза на особенности микроструктуры, микротвердость, элементный и фазовый состав изучаемых покрытий. Обсуждаются пути оптимизации режимов получения многокомпонентных нанокомпозитных покрытий указанной выше системы.

Методами просвечивающей дифракционной электронной микроскопии на тонких фольгах, растровой электронной микроскопии, рентгеноструктурного и локального рентгеноспектрального анализа проведено исследование порошкового сплава ПС-12НВК-01, наплавленного на подложку из стали 20. Определен фазовый состав, изучены дефектная структура и внутренние напряжения. Структура материала изучена до и после введения в расплав нанопорошка Al2O3. Установлено, что введение нанопорошка приводит к морфологически однородной структуре, изменению кристаллической решетки твердого раствора, фазового состава и мест локализации присутствующих карбидов.

Влияние многоуровневой макролокализации пластического течения на развитие ротационных мод деформации и характер кривой "напряжение - деформация" рассмотрен на основе анализа производства энтропии и уравнения состояния деформируемого твердого тела. Показано, что в условиях полного самосогласования ротационных мод деформации кривая "напряжение - деформация" изменяется монотонно. В отсутствие полного самосогласования ротационных мод возникает скачкообразность деформации как нелинейный волновой процесс релаксации напряжений, связанных с нескомпенсированными материальными поворотами на макромасштабном уровне. При высоких скоростях нагружения самосогласование ротационных мод деформации происходит механизмом развития динамических ротаций.??.