Книга посвящена одному из современных методов исследований в материаловедении - моделированию атомной структуры дефектов. Включает в себя методически последовательное изложение взаимосвязанных разделов в физике реальных кристаллов, таких как структура и энергия точечных и планарных дефектов, структура ядра дислокаций, компьютерное моделирование взаимодействия дефектов, динамические процессы радиационных повреждений в металлах и сплавах; атомистические расчеты структуры основного состояния микрокластеров и кинетики их превращений и др. Перечисленные разделы являются достаточно устоявшимися направлениями в физике реальных кристаллов и ведены в курсы лекций для студентов физико-технического и металлургического факультетов УрФУ. Большое внимание уделяется связи результатов атомистических расчетов с особенностями поведения реальных металлов и сплавов при деформации, разрушении, радиационном повреждении, фазово-структурных превращениях. Систематизирован богатый литературный материал и результаты работы авторов по изучению дислокационной структуры, особенностей деформации и разрушения монокристаллического Ti3Al. Книга адресована научным работникам, магистрам, аспирантам и студентам старших курсов физико-технических специальностей, а также изучающим дефекты и их влияние на свойства твердых тел.

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.

Изучено влияние порообразующих добавок на формирование поровой структуры, фазового состава и предела прочности при изгибе высокопористого материала в процессе его реакционного спекания. Показано, что введение порообразователя в исходную смесь порошков приводит к формированию бимодальной поровой структуры, а прочность при изгибе изменяется по экспоненциальному закону.

Проведены исследования деформирования пористой керамики на основе нанокристаллического диоксида циркония. Показано, что накопление микроповреждений носит пороговый характер и после локального разрушения материал продолжает деформироваться по прежнему закону. Существует прямая корреляция между макронапряжениями и локальными (мезоскопическими) параметрами распределения деформаций, области равномерного накопления деформации чередуются с ее резкими изменениями, приводящими сначала к локальному, а затем к макроразрушению всего материала.

Построена модель для оценки средних механических напряжений в системе «растущее покрытие – плоская подложка». Найдено аналитическое решение задачи. Выявлены основные параметры, которые отвечают за динамику роста напряжений в покрытии и в подложке. Исследовано влияние параметров на качественные закономерности эволюции напряжений в материале с растущим покрытием.

Предложена и исследована математическая модель спекания порошков Ti-TiAl3 в условиях однородного регулируемого нагрева. Учитывается, что химические превращения происходят с изменением объема и сопровождаются появлением механических напряжений и деформаций дополнительно к напряжениями и деформациям вследствие высоких градиентов температуры. Учтено, что объемные изменения оказывают влияние на тепловые и химические процессы. Исследована эволюция температуры, концентраций элементов и соединений, относительного изменения объема образца и объемных деформаций во времени.

Численно исследовано механическое поведение пористых керамических материалов со стохастической структурой порового пространства при сдвиговом нагружении. Расчеты проводились методом подвижных клеточных автоматов. Предложена методика количественного описания внутренней структуры таких материалов на основе дисперсии распределения пор по слоям образца, параллельным направлению нагружения. Проанализирована зависимость макроскопических упругих свойств пористых сред от особенностей их внутренней структуры. Показано, что у образцов с круглыми порами и порами, вытянутыми вдоль направления нагружения, существует корреляция между их осредненным модулем сдвига и дисперсией распределения пор. Таким образом, результаты позволяют сделать заключение о том, что модуль упругости таких сред является структурно чувствительной характеристикой. Предложенный подход дает возможность сравнивать упругие свойства образцов на основании данных об их поровой структуре.

Проведено молекулярно-динамическое моделирование формирования радиационно-поврежденных областей (радиационных каскадов) в кристаллитах ванадия с внутренней структурой (межзеренной границей). Межатомное взаимодействие описано в рамках метода погруженного атома. В кристаллитах ванадия как с идеальной структурой, так и с границами раздела, после релаксации каскадов атомных смещений формируется относительно малое число кластеров, состоящих из собственных точечных дефектов (вакансий и межузельных атомов). Характер развития каскадов атомных смещений во многом определяется наличием в материалах протяженных границ раздела. Межзеренные границы раздела служат барьером для распространения каскадов атомных смещений и аккумулируют значительную долю радиационных дефектов.

Методами низкотемпературной адсорбции азота, термического и рентгенофазового анализов исследованы образцы сорбентов на основе термически активированного осадка обезжелезивания подземных вод (отхода водоподготовки). Установлено, что данный осадок представляет собой материал с развитой пористой структурой (удельная поверхность исходного образца составила 229.9 м2/г); при прокаливании до 300 оС удельная поверхность образцов снизилась в 1.6-1.7 раза, объем сорбирующих пор увеличился в ~ 1.6 раза. Показано, что материал осадка представлен, главным образом фазами железа; повышение температуры прокаливания способствует увеличению глубины кристаллизации основной фазы - a-Fe2O3.

На основе системного подхода обосновывается концепция физической мезомеханики, согласно которой поверхностный слой в деформируемом твердом теле является самостоятельной подсистемой. С ростом степени деформации в нем развиваются автономные процессы, оказывающие определяющее влияние на стадийность локализации пластического течения и разрушение образца в целом. Ключевую роль в мезомеханике поверхностного слоя играют его «эффективная» толщина и интерфейс с объемом кристалла, на котором распределение напряженно-деформированного состояния имеет вид «шахматной доски».

Проведена серия численных экспериментов, нацеленных на выявление закономерностей формирования возмущений на внутренних границах раздела и поверхностях твердого тела при внешней приложенной механической нагрузке. Применен разработанный авторами стохастический алгоритм, использующий как базовые понятия классической теории упругости на макромасштабном уровне, так и результаты, полученные в рамках вероятностных подходов для более низких масштабных уровней. Обнаружено, что деформационный профиль поверхностного слоя нагруженного твердого тела имеет многоуровневую самоподобную структуру, где форма поверхности фронта возмущений на более высоком масштабном уровне подобна форме фронтов возмущений от концентраторов напряжений на более низких масштабных уровнях. Распределение напряжений и деформаций на интерфейсе «поверхностный слой – подложка» имеет «шахматный» характер.

Предложен и обоснован физически параметр, характеризующий отклонение системы от состояния термодинамического равновесия. Показана связь нового параметра с основными термодинамическими переменными. Представлены уравнения для потоков массы в многокомпонентных деформируемых средах, отражающие влияние нового параметра на коэффициенты диффузии и коэффициенты переноса под действием напряжений в неравновесных условиях.

Описание многоуровневого поведения порошковых смесей как гетерогенных сред при спекании является единственным подходом, позволяющим понять закономерности объемных изменений двухкомпонентного порошкового тела в результате высокотемпературного нагрева. В рамках существующих моделей вопрос о роли гетеродиффузии в процессах роста и усадки порошковых тел при спекании остается открытым. Поэтому очень важно правильно построить физическую модель, которая, с одной стороны, должна в максимальной степени отражать реальную структуру спекаемого тела, а с другой - адекватно описывать закономерности его поведения при спекании. Рассмотрена построенная на мезоскопическом уровне многочастичная модель порошкового тела из бинарной смеси, которая также учитывает особенности диффузионных процессов на микроуровне. Качественно модель верно описывает характер наблюдаемых концентрационных зависимостей величины усадки порошковых тел при твердофазном спекании, а при жидкофазном спекании - не только качественно, но и количественно.

В работе исследуется влияние нелинейных эффектов поверхностной неравновесной активации и внутренних механических напряжений, наблюдаемых в процессах электронно-лучевой модификации TiNi-сплавов, на диффузию кислорода из адсорбционного слоя вглубь материала. Предложенная математическая модель включает уравнения теплопроводности, диффузии и кинетики с соответствующими импульсной электронно-лучевой обработке начальными и граничными условиями. Приводятся оценки кинетических параметров. Рассчитываются распределения температуры, концентрации и напряжений по пространству и времени для широкой области изменения параметров. Определяется глубина зон прогрева и диффузии, проводится сравнение результатов с учетом активации и без нее.

Исследована возможность нанофрагментации материала в приповерхностных слоях на начальных стадиях процесса релаксации. Исследования проведены на основе компьютерного моделирования методом молекулярной динамики.. Показано, что на начальном этапе процесса релаксации возможно формирование разориентированных наноблоков. Фрагментированная структура формируется в области локализованной деформации вблизи концентраторов напряжений и распространяется вглубь материала. Показано, что в области локализации деформации функция радиального распределения атомной плотности имеет вид размытых пиков, соответствующих пикам идеальной гранецентрированной кристаллической (ГЦК) структуры, а в области кристаллита, где локализация деформации не наблюдается, происходит расщепление пиков ГЦК-структуры, обусловленной деформационным нарушением симметрии. Полученные результаты дают возможность утверждать, что возможным механизмом релаксации внутренних напряжений в постнагруженных твердых телах является эффект нанофрагментации материала.

Исследована поровая структура и ее влияние на механическое поведение керамики с пористостью, изменяющейся в широких пределах (от 0 до 70 %). Показано, что существует критическое значение пористости, при котором характер деформирования принципиально изменяется: материал разделяется на две подсистемы, по-разному деформирующиеся под действием внешнего нагружения. При этом происходит потеря устойчивости малозвенных стержневых структур, сформированных при спекании пористого тела, причем возможна их значительная макродеформация как структурных элементов, осуществляемая в упругой области. Обнаружена корреляция между размерами кристаллитов и пористостью, связанная с переходом поровой структуры из изолированной в сообщающуюся, а пористость 20 % соответствует первому порогу перколяции.??.

В работе изучено влияние состава материала, давления прессования, температуры и времени спекания на фазовый состав, плотность, прочность и электрическое сопротивление пористых проницаемых элементов систем TiC –Al2O3, TiC –ZrO2 и TiC –TiO2. Показано, что величина открытой пористости для систем TiC –Al2O3 и TiC –TiO2 изменяется в интервале 75...85 % от общего объема пор, предел прочности достигает значений 25...35 МПа, а удельное электрическое сопротивление равно (1...10) x 10–4 Ом x м.??.

На широком круге металлов и сплавов исследованы возникновение и временная эволюция упорядоченных в пространстве картин локализации пластической деформации - волн. Установлены основные характеристики этих волн: зависимость скорости распространения от коэффициента деформационного упрочнения, закон дисперсии, зависимости длины волны от размеров зерен и размер образцов. Рассмотрена возможность описания локализации пластического течения как процесса самоорганизации в деформируемой среде. Получены уравнения, необходимые для описания эволюции очагов локализации пластического течения. Проанализирован переход между картинами локализации деформации на разных стадиях пластического течения. Предложена модель для объяснения крупномасштабной периодичности в распределении очагов локализации деформации.

Исследованы дисперсный состав, структура наночастиц алюминия и цинка, образующихся в условиях электрического взрыва проводников при пониженных температурах газовой среды. Установлено, что понижение температуры газа приводит к уменьшению размера наночастиц и степени их агломерации.

Исследована структура корундовой керамики на основе порошков различной дисперсности, получаемых промышленным методом и методом денитрации солей алюминия в плазме высокочастотного разряда. Установлено, что увеличение содержания плазмохимического порошка Al2O3 в системе приводит к смене характера поровой структуры корундовой керамики от высокопористого керамического каркаса с развитой системой каналообразующих пор к керамике с изолированной пористостью. Изменение вида поровой структуры происходит при пористости 50% и сопровождается ростом микроискажений и дроблением кристаллитов. Показано, что с увеличением температуры спекания происходит рост кристаллитов в среднем в два раза, при этом происходит отжиг дефектов по их границам.

Предложена методика оценки прочностных свойств пористого керамического покрытия. Подход основан на анализе результатов предварительных тестов по индентированию покрытия с дефектами различного размера и глубины залегания. Исследования проведены с помощью компьютерного моделирования в рамках совмещения методов дискретного подхода (метод подвижных клеточных автоматов) и континуального описания (метод конечных разностей). Найдены соотношения, связывающие такие параметры поры, как длина и глубина ее залегания в покрытии, с критическими напряжениями, соответствующими разрушению покрытия. Предложенный подход может быть использован для исследования прочностных свойств поверхностных слоев материалов и прогнозирования критических напряжений в области контакта.

Предложена двумерная математическая модель распространения химического превращения в пластине в условиях механического нагружения. Проведено численное исследование задачи для трех вариантов условий для напряжений и перемещений на поверхностях пластины: жесткой заделки, одноосного растяжения, сдвига. Установлено, что вследствие связанности полей температур, концентраций и напряжений режимы превращения в разных условиях нагружения различны. В результате параметрического исследования модели показано, что величина внутренних напряжений может существенно превышать внешнюю нагрузку.

Предложен метод исследования напряженно-деформированного состояния с помощью оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC. Это количественный экспресс-метод, основанный на компьютерной обработке больших массивов оптических изображений поверхности образца, снятых in situ в процессе его испытания на растяжение или сжатие. Возможности метода показаны на примере исследования деформированного состояния при растяжении медного образца с круговым надрезом.

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.

Деформируемый материал рассматривается как диссипативная бистабильная среда, описываемая нелинейным уравнением реакционно-диффузионного типа для параметра порядка. Коэффициенты указанного уравнения зависят от температуры и напряжений. Показано, что на стадии легкого скольжения пластическая деформация осуществляется путем распространения волны переключения. Проанализировано влияние температуры на критическое напряжение сдвига и протяженность стадии легкого скольжения при квазистатическом нагружении.

С использованием макроскопической модели автоколебаний исследован температурный режим в пятне контакта при трении в условиях схватывания. Получены оценки температуры "вспышки" на поверхности трения и толщины слоя материала вблизи поверхности, в котором имеют место колебания температуры для различных нагрузок, скоростей скольжения и коэффициентов трения. Изучено влияние размера пятна контакта на величину температуры "вспышки". Проведено сравнение результатов моделирования для образцов из стали и меди.

Показано, что при усреднении по полупространствам упругие поля напряжений и деформаций, создаваемые плоскими скоплениями дислокаций, приобретают своеобразную топологическую особенность вида у/[y], т. е. терпят скачок при переходе через плоскость скопления. Эти средние поля оказываются эквивалентными полям дислокаций наиболее общего вида - дислокаций Сомилианы. В терминах средних полей описание деформационных границ в кристаллах, в частности границ кручения, оказывается особенно удобным. В таком описании граница кручения, например, есть поверхность, на которой среднее поле поворотов претерпевает топологический скачок.

Предложена модель роста покрытия. Исследовано влияние параметров модели на динамику роста покрытия. Проведена оценка напряжений в покрытии и подложке для двух различных случаев: подложки, изготовленной из титана, и подложки - из цирконий-ниобиевого сплава.

Предложена модель роста покрытия с подвижной границей раздела фаз. Скорость роста покрытия считается заданной и зависит от напряженности электрического поля и частоты. Концентрации элементов у поверхности следуют либо из решения внешней задачи, либо из эксперимента. разработан специальный алгоритм численного исследования задачи. Показано, что, как в случае подложки из титана, так и в случае подложки из циркония в ней формируются растягивающие напряжения, которые переходят в сжимающие, а в покрытии в обоих случаях напряжения растягивающие. Анализ различий в величинах напряжений позволяет рекомендовать для практического использования имплантаты из титана с кальций-фосфатным покрытием.

Методом атомно-силовой микроскопии исследованы закономерности гофрирования тонких пленок Al на подложке Si с подслоем полистирола при термическом воздействии. Измерение амплитуды и длины волны складок позволило выявить стадийность процесса гофрирования при различных температурах. Показано, что эволюция складок гофра в процессе отжига регулируется периодическим распределением нормальных и касательных напряжений вдоль границы раздела пленка-подслой.

Перечислены некоторые приближения, распространенные при построении моделей диффузионных процессов. Проведен анализ источников нелинейностей физической природы в моделях сред с диффузией. Дан вывод нелинейных диффузионных коэффициентов для бинарных и трехкомпонентных систем. Представлен пример нелинейной модели перераспределении примесей в трехкомпонентной системе с учетом механических напряжений, возникающих в диффузионной зоне.

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.

Проведено экспериментальное исследование деформационной структуры пористого железа со степенью пористости Р от 4 до 40% и в диапазоне деформаций ε вплоть до разрушения. Измерены величины зернограничного проскальзывания, поворотов структурных элементов, отдельных вкладов в общую деформацию в зависимости от Р и ε. Установлена смена доминирующих механизмов пластической деформации при повышении пористости, связанная с изменением топологических характеристик системы и соответствующая переходу от внутризеренного скольжения к группе механизмов, обеспечивающих движение зерен как целого. Проведен анализ установленных закономерностей на основе концепции структурных уровней деформации.

Построена функция распределения для газа в 2D-нанопоре, что позволило рассчитать такие термодинамические характеристики, как давление и теплоемкость. Рассмотрена зависимость давления и теплоемкости от наименьшего размера нанопоры, из которой следует наличие специфических фазовых переходов в газе в определенном интервале температур. Фазовые переходы связаны с тем, что эффекты размерного квантования приводят к появлению «эффективного» взаимодействия (притяжения) между молекулами газа.

Исследован состав азотсодержащих оснований вакуумного газойля и гидрогенизатов, полученных при 360 и 380оС. Азотистые основания исходного дистиллята представлены азот- и азосеросодержащими соединениями, большую их часть составляют бензохинолины и тиофенохинолины. Особенностью азотистых оснований гидрогенизатов является отсутствие азотсеросодержащих структур, увеличение доли малозамещенных хинолинов, появление мононафтенопиридинов и мононафтенохинолинов, снижение содержания безохинолинов. Повышение температуры процесса гидроочитски вакуумного газойля с 360 до 380оС приводит к увеличению выхода концентрата экстрагируемых азотистых оснований. Качественный состав выделенных оснований при этом не меняется, различия проявляются только в относительном содержании соединений разных типов.

На примере прямогонной дизельной фракции с высоким исходным содержанием серы выявлена зависимость глубины окисления сернистых соединений от продолжительности, температуры окисления, количества вводимого окислителя. Получены данные о скоростях окисления гомологов бензо- и дибензотиофенов в зависимости от количества и положения в них алкильных заместителей при протекании конкурирующих реакций окисления различных компонентов дизельной фракции. Рассчитаны эффективные константы скоростей реакций окисления сренистых соединений в процессе окислительного обессеривани. Предложен механизм взаимодействия сренистых соединений дизельной фракции с окислителем.

Получены пены из водных растворов поливинилового спирта двумя разными способами: диспергационным (механичеким), т.е. путем пропускания газа через пористую среду в водный раствор поливинилового спирта и конденсационным (химическим), т. е. при проведении газогенерирующей реакции непосредственно в полимерном растворе. Исследовано влияние способа формирования пены на ее устойчивость и дисперсность. Установлено, что при конденсационном способе вспенивания водного раствора поливилилового спирта азотом образуется более устойчивая и мелкодисперсная пена высокой кратности, чем при пропускании газа через полимерный раствор. После проведения химической реакции в полимерном растворе и последующего цикла замораживания-отталкивания пены из нее были сформированы пенокригели и определены значения их модуля упругости, температуры плавления и коэффициента теплопроводности.