Изучено деформационное поведение при растяжении субмикрокристаллического титанового сплава Ti–6Al–4V с различным содержанием водорода при температурах 293, 923 и 973 K. Установлено, что легирование водородом в количестве 0.08...0.33 мас. % повышает устойчивость сплава к локализации деформации на макроуровне при комнатной температуре и понижает при температурах 923 и 973 K. Обсуждаются возможные причины снижения устойчивости сплава к локализации деформации на макроуровне в присутствии водорода.

Методом просвечивающей электронной микроскопии проведено исследование микрополосовых наноструктурных состояний, формирующихся при комнатной температуре в процессе больших деформаций прокаткой сплава V-4Ti-4Cr (ФГУП-ВНИИНМ)ю Показано, что характерными особенностями этих состояний являются: высокие значения кривизны кристаллической решетки; границы с переменными векторами разориентации и высокой плотностью частичных дисклинаций; локальные внутренние напряжения; преимущественный характер переориентации вокруг направлений с высокой плотностью высокоугловых границ . Высказано предположение, что эти особенности, а также возможность очень больших деформаций сплава прокаткой при комнатной температуре, являются результатом пластической деформации и переориентации кристаллической решетки механизмами прямых плюс обратных (по альтернативным системам) мартенситных превращений в полях высоких локальных напряжений.

Исследованы возможность получения наноструктурных дисперсноупрочненных композиционных материалов на основе меди и титана с применением методов интенсивной пластической деформации, их структура, физические и механические свойства.

Исследована температурная зависимость зернограничного внутреннего трения у крупнозернистого и ультрамелкозернистого титана. Показано, что у ультрамелкозернистого титана, как и у крупнозернистых металлов, зернограничное внутреннее трение является следствием истинного зернограничного проскальзывания. Установлено, что при переходе от крупнозернистой структуры с совершенными границами зерен к ультрамелкозернистой структуре с несовершенными границами зерен понижаются температуры начала и интенсивного развития истинного зернограничного проскальзывания и уменьшается энергия активации этого процесса. обоснован диффузионный механизм истинного зернограничного проскальзывания при обоих структурных состояниях.

На основании исследований зернограничного внутреннего трения установлено, что холодная пластическая деформация субмикрокристаллического и крупнозернистого титана приводит к понижению температур начала и интенсивного развития истинного зернограничного проскальзывания и к уменьшению энергии активации этого процесса. При последующем отжиге при температурах вплоть до 573 K энергия активации не изменяется, а затем возрастает с ростом температуры отжига. Обоснован диффузионный механизм истинного зернограничного проскальзывания.??.

Приведено электронно-микроскопическое исследование эволюции дефектной субструктуры сплава V-4Ti-4Cr в процессе его больших пластических деформаций кручением на наковальнях Бриджмена. В интервале значений истинной логарифмической деформации обнаружены нанополосовые структурные состояния с дипольными и мультипольным характером разориентировок и размерами кристаллитов ( или нанополос) от нескольких до нескольких десятков нанометров, формирующихся внутри субмикрокристаллов размером около 100 nm или объединяющихся в мезополосы с выраженным вихревым характером распространения. Образование таких состояний связано с активизацией квазивязких (потоками неравновесных точечных дефектов в полях напряжений) механизмов деформации и переориентации кристаллической решетки, обеспечивающих возможность генерации и распространения нанодиполей частичных дисклинаций и с развитием коллективных эффектов в дисклинационной субструктуре, приводящих к групповому движению нанодиполей внутри мезополос.

Исследовано влияние ионно-модифицированного поверхностного слоя на пластичность, эффект памяти формы и мезоструктуру поверхности разрушения сплава Ni50Ti40Zr10. Установлено, что ионная имплантация приводит к повышению микротвердости поверхностного слоя и к общей пластификации сплава. Мезоструктуры поверхностей излома исходных и имплантированных образцов имеют принципиальные различия. В имплантированных образцах непосредственно под облученной поверхностью формируется слой толщиной, кратной размеру зерна В2-фазы, с характерным мезорельефом, отличным от рельефа неимплантированных образцов, и иными пластическими свойствами. В результате данной поверхностной обработки параметры эффекта памяти формы в образцах не ухудшаются, циклическая термостойкость возрастает.

Проведено исследование деформации и эволюции температурных полей в плоских образцах из титана ВТ1-О, находящегося в крупнокристаллическом (КК) и наноструктурированном/ультрамелкозернистом состояниях (НС/УМЗ), и титанового сплава ВТ6. НС/УМЗ титан ВТ1-О имеет в два раза выше пределы текучести и прочности по сравнению с крупнокристаллическим состоянием сопоставимы с характеристиками сплава ВТ6. Обнаружено, что величина предельной степени деформации до разрушения образцов НС/УМЗ титана при растяжении с постоянной скоростью деформации уменьшается в два раза. В области макроскопической локализации пластической деформации происходит резкое увеличение температуры, достигающей максимальных значений в зоне формирования трещины. Резкий рост температуры в зоне локализации пластических деформаций и образования трещины наблюдается в образцах как с КК структурой, так и в НС/УМЗ состоянии. Сопоставление экспериментальных данных о распределении температуры на поверхностях деформированных образцов КК и НС/УМЗ титана свидетельствует о том, что макроскопическая пластическая деформация развивается более однородно в титане ВТ1-0 в НС/УМЗ состоянии. при одинаковых условиях нагружения скорость тепловыделения выше для образцов титана в НС/УМЗ состоянии.

Работа посвящена изучению влияния поверхностного и объемного модифицирования структуры титана ВТ1-0 на его триботехнические свойства. Определены оптимальные режимы обработки титана пучком электронов (длительность импульса пучка электронов 50 мкс, количество импульсов 3, плотность энергии пучка электронов 25 Дж/см2 для крупнозернистого и 20 Дж/см2 для ультрамелкозернистого титана), приводящие к снижению изнашивания материала при трении в несколько раз. Исследована морфология поверхности трения, обнаружены вторичные структуры в виде островков, а также бороздчатая структура со следами схватывания. Предполагается, что в процессе трения происходит самоорганизация устойчивых вторичных структур, обеспечивающих кратное повышение износостойкости технически чистого титана ВТ1-0.

Методами просвечивающей электронной микроскопии проведены исследования влияния легирования водородом на рост и распределение по размерам элементов зеренно-субзеренной субмикрокристаллической структуры сплава Ti-6Al-4V в интервале температур 673-973 К. Изучена кинетика и определены значения энергии активации роста элементов зеренно-субзеренной структуры сплава при свободном отжиге и в условиях растяжения. Установлено активизирующее влияние деформации и диффузии водорода на миграцию границ зерен и рост элементов зеренно-субзеренной субмикрокристаллической структуры.

Методами атомно-силовой, электронной и оптической микроскопии исследована эволюция структуры сверхпроводящего кабеля на основе сплава Nb+47% Ti на промежуточной стадии волочения. Изучены микроструктура, фазовый состав и свойства сверхпроводящего сплава Nb-Ti после холодного волочения и промежуточного отжига. Выявлены зоны локализации пластической деформации в местах обрыва сверхпроводника, обнаружено изменение формы и химического состава волокон Nb-Ti в бездефектной области и в зоне разрыва кабеля, а также частичное отсутствие диффузионного Nb барьера вокруг волокон Nb-Ti в местах обрыва.

Методами просвечивающей и растровой электронной микроскопии в сплаве V-4Ti-4Cr-(C, N, О) с дисперсным (наноразмерными частицами оксикарбонитридной фазы) упрочнением проведено исследование дефектной субструктуры и особенностей разрушения после деформации методом активного растяжения при температурах 20 и 800 °С. Показано, что важными особенностями деформации при повышенной температуре являются, во-первых, активизация зернограничных механизмов деформации и разрушения, во-вторых, явление локализации деформации с переориентацией кристаллической решетки. Обсуждаются причины этих особенностей.

Методами дифракции обратно рассеянных электронов (EBSD), оптической и атомно-силовой микроскопии, а также методом численного моделирования исследованы закономерности огрубления поверхности образцов технического титана ВТ1-0 в процессе одноосного растяжения. Показано, что внутризеренное скольжение обусловливает поворот поверхностных зерен, который сопровождается наклоном их поверхности, а также формированием ступени на их границе с соседними зернами. Продемонстрировано влияние кристаллографической ориентации зерен на характер их формоизменения, а также степень их поворотов, развивающихся в условиях стесненности пластической деформации.

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.

Методом рентгеновской топографии Фудживара измерены локальные развороты субструктурных элементов непосредственно в процессе деформации крупнозернистого алюминия. На начальной стадии деформации наблюдается резкое изменение углов разворотов, что согласуется с экспериментально измеренными поворотами лазерной спекл-интерферометрией. Данная методика позволяет изучать природу пластической деформации непосредственно на мезоуровне.

Исследовано деформационное поведение технически чистого титана в субмикрокристаллическом и крупнозернистом состояниях на макроскопическом уровне. Проанализированы диаграммы деформации и исследуемых материалов. С помощью метода спеклинтерферометрии получены и исследованы на всех стадиях деформационного упрочнения пространственно-временные распределения локальных деформаций. Для рассмотренных материалов теоретически рассчитаны и экспериментально подтверждены значения времени существования образца и координаты места разрушения. Изучен характер движения зон локализованной пластичности. Показано, что на стадии предразрушения происходит "конденсация" очагов локализованной пластичности и "перетекание" деформационных процессов в шейку разрушения.

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.

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.

Представлены результаты исследования микроструктуры и механических характеристик ультрамелкозернистого титана ВТ1-0, полученного комбинированным методом многократного одноосного прессования (abc-прессования) и последующей прокатки при различных технологических режимах. Формирующаяся ультрамелкозернистая структура с характерным размером элементов 0.1-0.25 мкм обеспечивает максимальные прочностные характеристики титана, сопоставимые с характеристиками титановых сплавов. Технически чистый титан ВТ1-0 с объемно ультрамелкозернистой структурой может служить эффективной заменой титановых сплавов медицинского назначения как ВТ6, ВТ16.

Проведены структурные исследования и испытания на изгиб порошковых композитов, полученных горячим уплотнением механических смесей из элементарных порошков алюминия, титана и кремния. Определены режимы термосиловой обработки, при которых сохраняется исходный фазовый состав механической смеси и достигаются максимальная прочность и пластичность композитов. Определено, что прочность и пластичность композитов определяются алюминиевой матрицей, формирующейся при сваривании смежных порошковых частиц.

Монография посвящена вопросам получения. исследования структуры и свойств объемных наноструктурных материалов. Большой интерес к этой новой научной тематике связан с обнаружением уникальных физических и необычных механических свойств наноструктурных материалов и перспективами их широкого практического применения. Особое внимание в монографии уделено объемным наноструктурным металлическим материалам, полученным методами интенсивной пластической деформации, где многие пионерские разработки были выполнены при непосредственном участии авторов. Предназначена для специалистов, занимающихся проблемами физики и механики твердых тел, созданием новых материалов, может быть использована как учебное пособие для студентов и аспирантов соответствующих специальностей.

Подробно и систематически рассмотрены наноструктурные состояния материалов, формирующиеся при закалке из расплава или последующей термической и деформационной обработке, а также физико-механические свойства материалов. Дана новая классификация наноматериалов, основанная на их структуре и механическом поведении. рассмотрены различные условия формирования наноматериалов при закалке из жидкой фазы: 1) полная кристаллизация жидкой фазы в процессе закалки из расплава; 2) образование аморфного состояния в процессе закалки, с частичной или полной кристаллизацией при последующем охлаждении; 3) образованием аморфного состояния при закалке с возникновением нанокристаллов в результате последующих тепловых или деформационных воздействий. Приведены примеры эффективного использования наноматериалов, полученных методом закалки из расплава. Для научных работников, аспирантов и магистров, специализирующихся в области нанотехнологий и наноматериалов.

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.

Исследованы закономерности макролокализации пластической деформации на параболической стадии деформационного упрочнения циркониевых сплавов Э635 и циркалой-2. Обнаружена неустойчивость пластического течения, которая проявляется в периодическом изменении пространственно-временной картины распределения локальных деформаций, наблюдаемой с использованием метода спеклинтерферометрии. Полученные результаты обсуждаются в рамках синергетической модели эволюции пластического течения на его завершающей стадии.

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.

В работе предложен способ оценки характера распределения деформации на различных глубинах. Численное моделирование упругопластической деформации горизонтальных слоев среды осуществлялось с использованием аналитического решения упругой задачи для задания нагрузки. Показано влияние глубины и прочности среды на расстояние между полосами локализованной деформации.

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.