Исследованы закономерности развития макроскопических неоднородностей пластического течения металлов в форме полос Чернова-Людерса и эффекта Портевена-Ле Шателье. Установлены закономерности развития неоднородности деформации в этих двух случаях, изучена кинетика движения фронтов полос Чернова-Людсрса и скачкообразной деформации при реализации эффекта Портевена-Ле Шателье. Показано, что фронты Чернова-Людерса и скачкообразная деформация Портевена-Ле Шатсльс могут рассматриваться как макроскопические автоволновыс процессы переключения и возбуждения соответственно в деформируемых средах разной природы.

Методами электронно-микроскопического и рентгеноструктурного анализов исследованы особенности эволюции структурно-фазового состояния сплава Ti-6Al-4V в процессе формирования субмикрокристаллической структуры с использованием обратимого легирования водородом. Установлено, что пластическая деформация в двухфазной области при температуре 1023К инициирует в сплаве Ti-6Al-4V-Н полное превращение с образованием фазы, имеющей параметры решетки, отличающиеся от соответствующих для равновесной фазц. Изотермический отжиг такой структуры при температуре дегазации 873К приводит к формированию в сплаве двухфазной субмикрокристаллической структуры с размером зерен 0,3 мкм. Показано, что использование для дегазации деформированного сплава Ti-6Al-4V-Н эффекта неравновесного выхода водорода из металлов в условиях воздействия пучком электронов позволяет сформировать однофазную субмикрокристаллическую структуру и повысить ее дисперсность. Обсуждаются возможные причины наблюдаемых фазовых превращений.

Работа посвящена исследованию влияния ультразвукового поверхностного пластического деформирования сварных соединений стали ВКС-12 на их структурно-фазовое состояние и механические характеристики. Показано, что материал приповерхностного слоя толщиной около 40 мкм после обработки приобретает трехслойное строение с образованием наноструктуры на глубине до 3...4 мкм. На большей глубине регистрируются субзеренная структура с большеугловой разориентацией субзерен и фрагментированная структура. Установлена связь наноструктурирования поверхностного слоя с повышением циклической долговечности сварных соединений.

Представлены результаты исследований эволюции дефектной субструктуры и фазовых превращений в процессе деформации прокаткой и кручением под давлением хромоникелевой стали 17Cr-14Ni-2Mo. показано, что формирование наноструктурных состояний осуществляется в процессе взаимодействия полос локализации деформации с микрополосовыми двойниковыми структурами. Обсуждаются механизмы деформации и переориентации кристаллической решетки при формировании указанных выше состояний и возможные механизмы фазовых превращений в процессе больших пластических деформаций исследуемой стали.

Исследованы изменения структуры и фазового состава ультрамелкозернистого алюминиевого сплава, полученного интенсивной пластической деформацией, при растяжении в условиях сверхпластичности. Показано, что обусловленные распадом твердого раствора фазовые превращения ускоряются в поверхностном слое в условиях сверхпластической деформации вследствие интенсивного развития в нем зернограничного проскальзывания. Методом скользящего пучка установлено, что наибольшие изменения в структурно-фазовом состоянии указанного сплава происходят в приповерхностном слое толщиной ~ 10 мкм.

Исследовали влияние многоходовой прокатки, комбинированной с обратимым легированием водородом на структуру, фазовый состав и механические свойства метастабильной аустенитной стали 08X18Н9Т. Пластическая деформация приводит к фрагментации структуры и фазовым превращениям, что сопровождается повышением прочностных и снижением пластических свойств стали по сравнению с исходным состоянием. Легирование водородом вызывает увеличение объемной доли альфа'-фазы в структуре стали 08X18Н9Т при прокатке, способствует росту пластичности, но слабо влияет на прочностные свойства по сравнению с состоянием после прокатки без наводороживания.

В монографии обобщены основные результаты исследований по влиянию импульсного и постоянного магнитных полей на атермическое и изотермическое мартенситные превращения, выполненных на сталях и сплавах различного химического состава. Изложены причины и рассмотрен механизм действия магнитного поля на фазовые превращения, сопровождающиеся изменением намагниченности фаз. Приводятся экспериментальные результаты действия магнитного поля на кинетику, формирование структуры и кристаллографические особенности мартенсита. Изучено влияние морфологии мартенсита на механические свойства сплавов, а также на структурные изменения, происходящие при нагреве кристаллов мартенсита. Рассмотрено влияние магнитного поля на мартенситное превращение аустенита, стабилизированного размером зерна, пластической деформацией, тепловой обработкой. Представлены результаты воздействия магнитного опля на механические свойства сплавов и количество остаточного аустенита. Приведены экспериментальные данные по влиянию постоянных магнитных полей высокой напряженности на диффузионные процесс распада переохлажденного аустенита и распад остаточного аустенита при отпуске закаленных сталей. Исследования выполнены в основном в Институте физики металлов УрО РАН. Монография адресована научным и научно-техническим работниками в области физики металлов, металловедения и термической обработки сталей и сплавов на железной основе, может быть полезна студентами и аспирантам.

Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований фазовых и структурных превращений в металлах и сплавах. Обсуждаются процессы пластической деформации и диффузии в металлических материалах, влияние гидростатического давления на их механическое поведение. Анализируются особенности тонкой структуры, дислокаций и точечных дефектов в металлах и сплавах и те изменения, которые они претерпевают в результате различных внешних воздействий. Рассматривается влияние фазовых и структурных превращений на формирование механических свойств сталей и сплавов. Сборник представляет интерес для исследователей, работающих в области физического материаловедения, фазовых превращений и диффузии прочности и пластичности, а также для специалистов смежных областей знания.

Исследованы параметры трения никелида титана - коэффициент трения, температура и скорость износа - в зависимости от величины нагрузки и скорости скольжения. триботехнические испытания проводили по схеме диск-палец; контртелом являлась термообработанная сталь 9ХС. показано, что мартенситное превращение способствует снижению коэффициента трения сплава; материал выдерживает значительные нагрузки и скорости без катастрофического изнашивания и деградации свойств и может быть использован в качестве триботехнического материала.

Методом активной деформации растяжением при 20-1300С проведено исследование влияния режимов химико-термической обработки (ХТО) на температурную зависимость характеристик кратковременной прочности и пластичности внутреннеокисленных сплавов V-0,45Zr-0,2C и V-5Mo-0,9Zr-0,3C (ат.%). Изучено влияние границ зерен на особенности пластической деформации и разрушение этих сплавов при разных температурах. Показано, что высокая эффективность дисперсного упрочнения внутреннеокисленных сплавов сверхмелкими частицами оксидов ZrO2, формирование в процессе внутреннего окисления структурных состояний с совместным дисперсным и субструктурным упрочнением и высокая термическая стабильность этих состояний способны обеспечить (1,5-2)-кратное повышение кратковременной (в том числе высокотемпературной) прочности ванадиевых сплавов при сохранении высокого запаса пластичности.

Предложен и обсужден автоволновой механизм локализации пластической деформации. Показано, что эффект локализации является общим для всех металлов и сплавов в моно- и поликристаллическом состояниях и проявляется на всех стадиях пластического течения независимо от типа кристаллической решетки и механизма деформации (дислокационного скольжения, двойникования, деформации за счет фазового превращения). обсуждаются величина и природа таких характеристик автоволн, как скорость распространения, дисперсия и длина волны. Формулируются основные представления о механизме генерации автоволн в системах, расслаивающихся на информационную и динамическую подсистемы.

Развита методика рентгеноструктурного анализа неоднородного по глубине материала. Исследована структура интерметаллида TiNi, подвергнутого поверхностной электронно-лучевой модификации. Выявлено три дифференцированных по микрокристаллической структуре слоя: внешний остротекстурированный слой с текстурой в направлении [100]И2 и уменьшенным на 1% параметром периодичности решетки в направлении нормали к поверхности, промежуточный градиентно-напряженный слой с текстурой исходного слитка и неизмененный материал. Кристаллическая решетка поверхностного слоя, как и промежуточного, находится в растянутом вдоль поверхности и сжатом нормально поверхности состоянии. Это искажение решетки максимально в поверхностном слое и убывает вглубь материала.

Рассмотрены процессы упругой и пластической деформации металлических, оксидных и полупроводниковых пленок в процессе роста, термического отжига и механического нагружения. Показано, что при сжатии тонких пленок на податливой подложке на их поверхности формируются складки и происходит когерентная деформация подложки. В случае жесткой подложки сжимающие напряжения приводят к упругому изгибу пленки с локальным либо периодическим отслаиванием от подложки. Процесс пластической деформации тонких пленок определяется конкуренцией между изменениями их поверхностной энергии и энергии деформации. Выявлена фундаментальная роль периодического распределения напряжений и деформаций на границе раздела двух сред, лежащего в основе механизмов деградации тонких пленок при различных внешних воздействиях.

Изучен промышленный порошок ПН55Т45 в процессе его отжига в вакууме. Показано, что c повышением температуры происходит смещение состава интерметаллида TiNi в сторону увеличения содержания никеля, а также образование интерметаллидов с увеличенной концентрацией никеля. Это связано с образованием устойчивого соединения Ti2NiOx. На поверхности спеченного образца в большом количестве образуется фаза кубической структуры, подобной структуре сложных оксидов на основе никеля.????.

С использованием спекл-интерферометрического метода исследована деформация никелида титана. Установлено, что начальная стадия процесса осуществляется в форме движения фронта деформации, разделяющего объемы с разными состояниями среды. наблюдаемые закономерности описываются как проявления автоволнового процесса в активной среде при внешнем механическом воздействии.

Рассмотрены закономерности, сопровождающие развитие локализованной пластической деформации твердых тел. На примере анализа локализованного пластического течения металлов и неметаллов обнаружена корреляция произведений линейных и скоростных параметров процессов ynpyroй и пластической деформации. На этом основании высказана гипотеза о взаимосвязи характеристк упругой и пластической деформации. Обнаружена связь закономерностей пластического течения с квантово-механическими характеристиками.

Экспериментально исследована эволюция параметра атомного дальнего порядка S и температуры начала мартенситного превращения (МП) из В2-фазы в моноклинный мартенсит В19 (Мн) в монофазных двойных сплавах на основе TiNi (50-52 ат.% Ni). На основе этих данных построен полином Мн (X,S), связывающий Мн, состав В2-фазы (Х) и параметр S. Проанализирован прогнозируемый полином Мн (X,S), характер изменения Мн при протекании различных физических процессов: разупорядочения при неизменном составе В2-фазы, концентрационные зависимости Мн при постоянном S и различные варианты возможных воздействий на В2-фазу. в результате которых изменения S и Х реализуются одновременно, но синхронизированы различного типа зависимостями S(X). Определена область значений Х и S. Вклад от изменений S в общее изменение Мн (Х,S). когда Х и S меняются одновременно, быстрое уменьшается при увеличении Х от 0,5 в сплавах с 50,0-50,5 ат.% N до 0,18 при Х=53 ат.%Ni. Полученные при анализе Мн (X,S) следствия сопоставлены с немногочисленными результатами качественных наблюдений, в которых фиксировали разупорядочение TiNi.

В продолжение исследований высокотемпературных сплавов с ЭПФ Ti50-xNi50Zrx (разрез TiNi-ZrNi на тройной диаграмме Ti-Ni-Zr) в настоящей работе изучены сплавы Ti50-xNi50Zrx (разрез TiNi-TiZr, х=1, 4, 6, 10 ат. % Zr). Обнаружено, что максимальная растворимость Zr в В2-фазе вдоль разреза TiNi-TiZr достигает 6 ат.%. Сплавы с содержанием Zr менее 6 ат.% характеризуются практически однофазной высокотемпературной В2-струтурой. Сплавы с содержанием Zr от 6 аот. % и выше содержат кроме основных В2- и В19'-фаз до 40 об. % вторичных фаз, что оказывает существенное влияние как на характер протекания МП, так и на физические свойства сплавов. Так, с увеличением концентрации Zr уменьшается полнота МП, понижаются температуры МП, увеличивается до 70 град гистерезис МП. С практической точки зрения, ценными являются обнаруженные в настоящей работе факты: а) уменьшение фазового наклепа в высоколегированных цирконием сплавах, означающего, что эти сплавы обладают более высокой циклостойкостью, по сравнению с низколегированными; б) наличие в них широкого гистерезиса.

Приведены результаты теоретического и экспериментального исследования связи локализации пластической деформации твердых тел на различных масштабных уровнях с концентраторами напряжений соответствующих масштабов, которые возникают в поверхностных слоях и на всех внутренних границах раздела. Сделано заключение, что локализованное пластическое течение всех видов может зарождаться и распространяться только в зонах растягивающих нормальных напряжений, где возникают сильно неравновесные состояния. В пространстве междоузлий в условиях избыточного атомного объема появляются виртуальные узлы более высокоэнергетической структуры и происходит локальное структурное превращение путем коллективных атом-вакансионных конфигурационных возбуждений. Описать природу локализации пластического течения можно только на основе представления деформируемого твердого тела как многоуровневой системы.

Проведены механические испытания и исследована структура циркония и алюминия, предварительно деформированных на 450% посредством ковки с переменой оси осаживания (КПО) и равноканального углового прессования (РКУП) соответственно. При растяжении образцов из указанных сильнодеформированных сплавов наблюдалась их повышенная склонность к образованию шейки, однако пластичность материалов в шейке намного превосходила пластичность в шейке исходных крупнозернистых материалов. По результатам экспериментов сделано предположение. что закономерным этапом пластического течения твердых тел при интенсивной пластической деформации (ИПД) является формирование ячеисто-полосовой структуры и локализации деформации в полосах с мелким зерном. Это существенно замедляет процессы дальнейшего деформационного измельчения структуры посредством ИПД, а также является причиной быстрого образования шейки разрушения в материалах с такой структурой.

На основе неравновесной термодинамики развита методология описания деформируемого твердого тела как многоуровневой системы. Делается заключение о единой природе всех механизмов пластической деформации и разрушения твердых тел как локальных структурных превращений в зонах концентраторов напряжений различного масштаба. Все типы деформационных дефектов зарождаются в локальных зонах гидростатического растяжения около концентраторов напряжений, где необходимо рассматривать локальный неравновесный термодинамический потенциал Гиббса. Показан корпускулярно-волновой дуализм пластического сдвига и рассмотрена его специфика на различных структурно-масштабных уровнях пластической деформации. Проведен термодинамический анализ возникновения субмикро- (нано-) кристаллической структуры в твердых телах в условиях интенсивной пластической деформации. Ключевые слова: деформация, масштабные уровни, термодинамический подход.

Предложено описание многоуровневой дефектной подсистемы в шейке деформируемого твердого тела на основе полевой теории дефектов. Ведущий механизм пластической деформации в шейке связан с самоорганизацией двух макрополос локализованных сдвигов, ориентированных по сопряженным направлениям максимальных касательных напряжений. Их материальные повороты компенсируются на мезомасштабном уровне фрагментацией материала в шейке как аккомодационный механизм кристаллографических поворотов. Дислокационная деформация на микромасштабном уровне описывается калибровочной теорией дефектов. Полевая теория дефектов позволяет описать известные механизмы пластической деформации в шейк на различных масштабных уровнях.

Изучено явление макролокализации деформации для широкого круга материалов (стали, сплавы, чистые металлы, керамика) с различной кристаллической структурой. С помощью акустического комплекса были получены координаты источников сигналов акустической эмиссии. Методом эволюционного распределения полей координат показано, что на всех стадиях пластической деформации наблюдается периодичность координат источников сигналов акустической эмиссии. Измерены скорости перемещения полос макролокализации для некоторых видов сталей. Предложенный метод позволяет экспериментально исследовать кинетику процессов локализации непосредственно в процессе деформации.

Исследовали структурно-механические особенности пластической деформации фольг монокристалла алюминия {100}<001>, наклеенных на плоские образцы алюминиевого сплава, которые деформировали в режиме малоцикловой усталости. Установлено, что пластическая деформация начинается после латентного периода на лицевой поверхности и с ростом числа циклов нагружения распространяется через толщину фольги. Специфический поверхностный рельеф, образующийся на обратной стороне фольг алюминия, подобен рельефу, наблюдающемуся на лицевой поверхности фольг. Показано, что наиболее важной причиной зарождения пластической деформации на лицевой поверхности и распространения ее через всю толщину фольги является действие моментных напряжений, которые возникают в поперечном сечении фольги в результате внецентренного приложения нагрузки к фольге. Сделан вывод, что влияние моментных напряжений необходимо учитывать при нанесении на фольги защитных и функциональных покрытий, особенно при их значительной толщине и работе в условиях циклического растяжения.

Методами лазерной спеклинтерферометрии и профилирования поверхности исследованы закономерности макролокализации пластической деформации при одноосном растяжении циркониевых сплаво с гексагональной плотноупакованной структурой. Установлено, что возникновение колебательной неуйстойчивости на параболической стадии пластического течения сплавов циркония обусловлено локальным неоднородным изменением формы деформируемого образца. Показано, что кинетика процесса определяется колебательным изменением деформаций сужения и удлинения в очаге макролокализации в режиме упрочнения-разупрочнения.

В работе проведен сравнительный анализ распределений напряжений и деформаций на мезоуровне в поликристаллических структурах, находящихся в условиях плоской деформации и плоского напряженного состояния, и в сечениях трехмерного образца. Показано, что при одинаковых макроскопических кривых нагружения картины локализации пластической деформации на мезоуровне в двумерных и трехмерной моделях существенно отличаются качественно и количественно. Один и тот же эффективный отклик материала может быть обеспечен различными распределениями напряжений и деформаций на мезоуровне, в зависимости от способа приложения нагрузки и геометрических особенностей образца (тонкие пластины, массивные образцы и т.д.).

Исследованы картины локализации пластического течения в ГПУ монокристаллах Zn, ориентированных для скольжения по системам {0001} <2110>. Установлены основные пространственно-временные закономерности локализации деформации на всех участках трехстадийной кривой таких кристаллов. Прослежена связь типов картин локализации с закономерностями упрочнения монокристаллов на каждой стадии. Оценена роль сбросообразования в процессе формирования наблюдаемых распределений макродеформации.

Исследуются особенности развития упругой и пластической деформации в материале непосредственно после прекращения активной фазы нагружения. Исследования проведены на основе компьютерного моделирования методом молекулярной динамики. Показано, что в зависимости от величины деформации, достигнутой на этапе активного нагружения, релаксация кристалла может развиваться различными путями. Так, в работе выявлен интервал значений деформации, особенностью которого является состояние неустойчивого равновесия кристаллической решетки, когда небольшие изменения степени сжатия приводят к существенному изменению характера формирования полос локализации атомных смещений. Полученные результаты могут иметь существенное значение при изучении влияния "инерционности" процесса структурных изменений материала на развитие пластической деформации.

Сделан обзор экспериментальных исследований влияния диффузионных потоков атомов примеси из покрытия на деформационное поведение объемных субмикрокристаллических металлических материалов, полученных воздействием интенсивной пластической деформации, при ползучести в интервале температур (0.2–0.3)Tпл (Tпл — температура плавления). Обсуждаются физические причины сдвига температурного интервала проявления эффекта ускорения ползучести субмикрокристаллических металлов, связанного с воздействием потоков атомов примеси из покрытия, в сторону более низких температур по сравнению с крупнозернистыми металлами. Анализируется роль мезоскопического механизма деформации — зернограничного проскальзывания — в реализации эффекта ускорения ползучести субмикрокристаллических металлов в условиях воздействия диффузионными потоками атомов примеси из покрытия в интервале температур T < 0.3Tпл.

В работе проведено моделирование в трехмерной постановке поведения структурно-неоднородных материалов поликристаллического и композиционного типов в условиях квазистатического растяжения. Для введения в расчеты структуры мезоскопического масштаба (зерна, включения) применена процедура генерации структур поликристаллического и композиционного типов, сходных с экспериментальными по количественным и качественным характеристикам. На основе концепций физической мезомеханики проведен анализ напряженно-деформированного состояния в объеме и на поверхности исследуемых материалов. Исследовано напряженно-деформированное состояние в различных сечениях мезообъемов и эволюция пластической деформации на начальных стадиях пластического течения. На основе результатов моделирования сделаны выводы относительно особенностей пластической деформации в трехмерных структурах на мезо- и макроуровнях. На примере композиционной структуры исследован вопрос о степени соответствия двумерных и трехмерных моделей на мезоуровне в случае явного учета мезоструктуры. Для этого проведен сравнительный анализ трехмерных и двумерных расчетов в постановке плоской деформации и плоского напряженного состояния.

В работе рассмотрены физически обоснованные модели пластической деформации и разрушения. Иерархическое моделирование подразумевает явный учет внутренней структуры композита как возможности введения масштабного фактора, введение различных моделей механического поведения пластичных матриц и подложек, хрупких и квазихрупких включений и т.д. для описания разных физических процессов и их взаимовлияния. Проведена серия численных экспериментов по нагружению металлов и сплавов, которые используются в качестве подложки и матрицы при разработке материалов с покрытиями и композитов на металлической основе, в широком диапазоне температур и скоростей деформирования. Предложен критерий разрушения типа Хубера, который учитывает различия в критических величинах для разных типов локальных состояний: растяжение и сжатие. Исследованы процессы разрушения мезообъемов композита Al–Al2O3 и материалов, поверхностно упрочненных методами электронно-лучевой наплавки и диффузионного борирования, в том числе с градиентным подслоем. Показано, что комплексное механическое поведение композиции как целого контролируется взаимосвязанными процессами формирования полос локализованного сдвига в матрице/подложке и растрескивания включений/покрытий.

Исследована дислокационная структура в стационарных зонах локализации пластической деформации, наблюдаемых методом спекл-интерферометрии в циркониевых сплавах. Установлено, что дефектная структура в областях минимумов и максимумов локализации деформации различна. Большая скорость накопления дефектов в очагах локализации деформации приводит к трансформации одного из них в шейку при увеличении степени общей деформации.

Исследована кинетика развития очагов локализованной пластической деформации в поликристаллическом Al. Установлено, что на стадии линейного деформационного упрочения такие очаги синхронно движутся, а на стадии параболического упрочнения неподвижны. Определены количественные характеристики (длина волны, скорость распространения) деформационных волн, возникающих на стадии линейного упрочнения. Найдена связь количественных характеристик процесса локализации деформации с размером зерна. Исследовано перераспределение локальных деформаций при переходе от одной стадии течения к другой. Предложена модель, объясняющая возникновение крупномасштабных структур локализованной пластической деформации.

Изменения внутренней структуры в деформируемой среде описываются дополнительными оп отношению к плотностям дефектов кинетическими переменными - параметрами порядка. связанными с коллективными модами макроскопической пластической деформации. Кинетические уравнения для двух параметров порядка представляют систему нелинейных уравнений реакционно-диффузионного типа. Показано, что неустойчивость однородного решения относительно неоднородных возмущений внутренней структуры возникает в том случае, когда характерные длины изменения параметров порядка существенно различаются.