Очередной том серии справочных изданий "Металлы и сплавы" посвящен разрешению практически важной проблемы улучшения эксплуатационных качеств материалов, таких ка прочность, пластичность, трещиностойкость и др., на основе использования современных физико-аналитических средств и методов контроля структурно-механического состояния материалов на всех стадиях производства, начиная с выплавки металла. Дано краткое изложение концептуальных идей российской научной материаловедческой школы в практической реализации взаимосвязей "химический состав-структура-технология-свойства" на базе достижений фундаментальной науки об определяющей роли многосвязной полимасштабной иерархической соподчиненности ансамблей дефектов кристаллического строения в изменчивости характеристик металлов и сплавов. Приведены справочные данные, необходимые для анализа и классификации неметаллических включений, выявления и анализа структуры металлов и сплавов на макро-, мезо- и микроскопическом масштабных уровных. Издаваемый том предназначен для научных и инженерно-технических работников, специализирующихся в области материаловедения, диагностики разрушения и оценки металлургического качества металла. Книга будет полезна для аспирантов и студентов металлургических, машиностроительных и политехнических вузов.

В монографии кратко рассмотрены основные положения электромагнетизма. При подаче известного материала внимание акцентировалось на формулировке условий на границах раздела смежных сред. Особое внимание уделялось условиям на границах раздела с учетом влияния тепловых и диффузионных процессов. Впервые построена согласованная физико-математическая модель взаимодействия нестационарных электрических и тепловых полей в слоистой среде с учетом массопереноса. Модель основана на метода термодинамики. уравнениях электромагнитного поля и сформулирована без явного выделения носителей заряда (модель Ландау). Приводятся примеры решения ряда задач: импульсного электролиза в электрохимической ячейке; распространения волны в слоистой среде с магнитными свойствами. Монография может быть использована для спецкурсов и как дополнение к обычным курсам для всех интересующихся прикладными аспектами теории электричества и электродинамики.

Зарождение большеугловых границ зерен в поликристаллах рассматривается как кинетическое структурное превращение, связанное с увеличением объемной доли структуры, характерной для переохлажденной жидкости. Распределение атомов в межзеренном пространстве описывается двумя параметрами порядка. В локальном приближении неравновесной термодинамики получены уравнения эволюции для параметров порядка. Рассмотрены решения, описывающие расслоение однородного состояния с образованием пространственно неоднородного распределения параметров порядка на границе зерен. Ключевые слова: большеугловые границы, структурное превращение, параметры порядка, неравновесная термодинамика, неустойчивость, расслоение.

Исследована ползучесть никеля и меди в субмикрокристаллическом (СМК) состоянии в вакууме и при наличии диффузного контакта с примесью (Cu и Al соответственно). Установлено, что эффект уменьшения сопротивления при наличии диффузионного контакта с примесью в СМК-материалах наблюдается в интервале температур 398-473 К. Это на 200-400 градусов ниже, чем соответствующий для крупнозернистых. Показано, что в данном интервале температур коэффициенты зернограничной диффузии меди в СМК-никеле на 5-6 порядков выше, чем в крупнозернистом. Предполагается, что снижение температуры проявления эффекта активации ползучести при наличии диффузного контакта с примесью в СМК-материалах обусловлено наличием диффузионной проницаемости границ субмикрокристаллических зерен.

В деформируемом в условиях ползучести бикристалле выделены дополнительные по отношению к плотностям зернограничных дефектов переменные (параметры порядка), связанные с очагами пластической деформации. На основе анализа решения уравнений эволюции для параметров порядка показано, что неравномерность, цикличность собственного зернограничного проскальзывания в бикристаллах, увеличение скорости межзеренной деформации в условиях взаимодействиях границы с решетчатыми дислокациями могут быть связаны с возбуждением на границе зерен неравновесных локализованных областей - автосолитонов.

Исследовано влияние межзеренных границ на особенности развития каскадов атомных соударений и формирование радиационно-поврежденных областей в кристаллитах ванадия. Наличие в материалах границ зерен оказывает существенное влияние на характер радиационной повреждаемости, в частности на распределение и размеры радиационных дефектов. Показано, что межзеренные границы раздела служат барьером для распространения каскадов атомных смещений и аккумулируют в своей области значительную долю радиационных дефектов. В кристаллитах ванадия после релаксации содержится относительно малое число кластеров, состоящих из точечных дефектов, т.е. вакансий и собственных межузельных атомов. Ключевые слова: радиационные дефекты, молекулярная динамика, границы зерен.

Проведено исследование деформационного поведения крупнозернистого и субмикрокристаллического технически чистого титана. Основной особенностью поведения СМК-материала является наличие на диаграммах нагружения продолжительного участка предразрушения, где деформирование происходит практически без упрочнения. На этой стадии наблюдаются очаги локализованного пластического течения с различным уровнем накопления деформации. Очаг с максимальной амплитудой деформации неподвижен и отмечает место будущего разрушения. Остальные домены локализованной деформации движутся с тем большей скоростью, чем дальше они отстоят от места разрушения. Установлено, что в СМК-титане локальная и глобальная потеря устойчивости пластического течения еще до начала формирования макроскопической шейки, т. е. локальная потеря устойчивости происходит сравнительно рано, хотя на глобальном уровне материал продолжает деформироваться квазиоднородно. Полученные результаты могут быть использованы для корректировки режимов обработки давлением наноструктурных и субмикрокристаллических материалов.

Рассчитаны энергетические параметры вакансий и вакансионных комплексов вблизи межзеренной границы и свободной поверхности. Расчеты проводились на основе метода молекулярной динамики. Для описания межатомного взаимодействия были использованы многочастичные потенциалы, полученные в рамках метода погруженного атома. Показано, что радиус взаимодействия вакансий и радиус захвата вакансий и вакансионных комплексов границами зерен и свободными поверхностями для меди значительно меньше, чем для ванадия. Рассчитана энергетическая выгодность в меди и ванадии вакансионных комплексов, состоящих из четырех вакансий.

При совместном использовании подходов мезомеханики и неравновесной термодинамики показано, что любые нановключения, в том числе включения с низким модулем упругости, и нанопоры обусловливают упрочнение материала.

Проведены сравнительные исследования ползучести поликристаллов никеля с зернограничными ансамблями, содержащими около 5 и 60 % границ специального типа, в условиях диффузии серебра с поверхности. Установлено, что увеличение в зернограничном ансамбле границ специального типа с 5 до 60 % приводит к увеличению сопротивления ползучести никеля. При этом эффект ускорения ползучести, связанный с воздействием диффузионных потоков атомов серебра на границы зерен, уменьшается в 3-6 раз, а его максимум сдвигается в область низких скоростей ползучести. Предполагается, что указанное повышение сопротивления ползучести никеля в условиях диффузии серебра с поверхности обусловлено высокой устойчивостью специальных границ зерен к межзеренному разрушению.

Исследованы зернограничные ансамбли в сплаве Ni3Mn со сверхструктурой LI2 с разным содержанием марганца. Установлено, что процесс атомного упорядочения сопровождается миграцией границ зерен. наличие атомов кислорода в твердом растворе и частиц оксидов на границах зерен препятствует образованию дальнего атомного порядка в кристаллической решетке и миграции границ зерен.

Проведено компьютерное моделирование откольного разрушения в кристаллите меди, содержащем границу зерна, при импульсном нагружении. Показано, что при инициировании в материале пакетов из нескольких уединенных импульсов сжатия усиливается тенденция на разрушение материала вдоль границы зерна.

Проведено компьютерное моделирование поведения межзеренной границы в образце алюминия в условиях высокоскоростного сдвигового нагружения. Расчеты проводились на основе метода молекуляной динамики в теории псевдопотенциала. Было обнаружено, что у условиях данного типа нагружения граница зерен может перемещаться с аномально высокой скоростью, превосходящей даже скорость приложенного сдвига. исследуются атомные механизмы, обусловливающие данный эффект.

С использованием метода дифракции обратнорассеянных электронов (англ. EBSD) проведены исследования эволюции зернограничного ансамбля поликристаллического никеля в условиях ползучести при температуре 823 К. Установлено, что при малых степенях деформации наблюдается распад двойниковых границ зерен ∑3 с образованием специальных границ зерен ∑9 и ∑27. Показано, что с увеличением степени деформации происходит существенный рост малоугловых разориентировок в материале, сопровождающийся снижением доли специальных границ зерен вследствие их взаимодействия с решеточными дислокациями.

В работе исследованы закономерности деформирования и фрагментации крупно- и мелкозернистых материалов в условиях высокоскоростного нагружения. Исследования проведены с использованием экспериментальной методики на основе взрывного нагружения полого толстостенного цилиндра, а также с помощью компьютерного моделирования в рамках молекулярно-динамического подхода. Ключевым моментом исследований является изучение исследования формирования полос локализации пластической деформации. Установлено, что характер развития пластической деформации определяется условиями нагружения и характерной величиной зеренной структуры материала. Для крупнозернистого материала определяющим является дислокационный механизм деформирования, приводящий к зарождению полос локализации. При уменьшении размера зерна доминирующим механизмом деформации становится проскальзывание по границам зерен, что приводит к развитию фрагментации материала. Выявлена связь скорости деформирования и величины деформации с критическим размером зерна. С помощью компьютерного моделирования выявлены механизмы зернограничного проскальзывания на исследуемых масштабах.

Рассмотрены экспериментальные и теоретические основы учета кривизны в многоуровневом подходе к компьютерному моделированию поведения границ раздела как самостоятельных планарных подсистем в нагруженном поликристалле. На базе гибридного дискретно-континуального метода возбудимых клеточных автоматов, использующего синергетические принципы дискретных переключений и законы механики сплошных сред, проведены комплексные исследования динамики потоков вещества и энергии вдоль межзеренных границ. Показано, что эти потоки имеют ротационно-волновую природу и зависят от условия нагружения межзеренной границы.

Проведено молекулярно-динамическое исследование поведения границы зерен бикристалла меди в условиях сдвигового нагружения. В качестве объекта исследования выбрана высокоугловая граница специального типа ∑=4(210)[001]. Анализировалось влияние температуры образца на особенности поведения границы зерен при сдвиговой деформации. Показано, что при нагреве образца выше определенной температуры обнаруженный ранее механизм зернограничного проскальзывания в ГЦК-кристаллах, сопровождаемый одновременным перемещением границы в направлении, перпендикулярном приложенному воздействию, уступает место традиционному механизму зернограничного скольжения, связанному с относительным смещением зерен относительно друг друга вдоль плоскости дефекта. Исследованы особенности изменения структуры межзеренной границы при смене ее отклика на сдвиговую деформацию с ростом температуры.

Проведено сравнение возможностей оптической и атомно-силовой микроскопии при исследовании микроструктуры сталей. Методами оптической и атомно-силовой микроскопии получены изображения структуры перлитной и ферритной сталей. Показаны возможности и преимущества метода атомно-силовой микроскопии для исследования структуры сталей по сравнению с традиционно используемыми оптическими методами.

The paper reports on experimental study of peridotites with different average grain sizes. It is shown that coarse-crystalline peridotite undergoes multiple bulk fracture along all large fragments, whereas fracture of fine-crystalline peridotite is localized in the centre and develops in a direction close to the compression axis with the only slight deflection toward maximum tangential stresses in the upper and lower parts in which the strain localization zone is bifurcated. It is found that by the onset of fracture, the lateral to axial strain ratio for the coarse- and fine-crystalline specimens is 1.36 and 0.76, respectively.

Методами растровой и просвечивающей электронной микроскопии проведено сравнительное исследование эволюции структуры субмикрокристаллического (СМК) молибдена в процессе свободного отжига и в условиях диффузии никеля с поверхности Изучена кинетика и определены значения энергии активации инициированной диффузией никеля рекристаллизации СМК-молибдена в интервале температур 1123-1223 К. Обсуждаются возможные причины снижения температуры инициированной диффузией никеля рекристаллизации СМК-молибдена по сравнению с мелкозернистым. На основе полученных результатов проведена оценка коэффициентов зернограничной диффузии никеля в СМК-молибдене.

Методом оже-спектроскопии определены профили распределения концентрации никеля в границах зерен по глубине в субмикрокристаллическом молибдене, полученном интенсивной пластической деформацией. Рассчитаны коэффициенты и энергия активации зернограничной диффузии никеля в субмикрокристаллическом молибдене в интервале температур 973 - 1123К. Из полученных результатов следует, что различие коэффициентов зернограничной диффузии никеля в субмикрокристаллическом и крупнозернистом молибдене связано с неравновесным состоянием границ зерен, формируемым при интенсивной пластической деформации.

Изучено влияние технологических параметров горячего прессования порошкового молибдена на его структуру и прочность. Показано, что в интервале температур рекристаллизации молибдена наблюдается активизация диффузных процессов, приводящая к интенсивному уплотнению прессовок и формированию мелкого зерна, сохраняющегося до температуры 1500 гр.Цельсия. Это позволяет получить на образцах молибдена высокие прочностные свойства.

Представлены результаты первопринципных расчетов методами теории функционала электронной плотности атомной и электронной структуры Pd с симметричными границами наклона. Обсуждается сорбция водорода на границах зерен и соответствующих свободных поверхностях. Анализируется влияние примесей d-металлов на сорбцию водорода на границах зерен. Установлено, что на поверхности (210) предпочтительной является сегрегация примесей d-металлов на террасах, тогда как на поверхности (310) более энергетически выгодной является сегрегация металлов на ступенях поверхности. Сравнительное исследование влияния водорода на подвижность дефектов к границам наклона и соответствующим им свободным поверхностям показало существенное увеличение сегрегации примесей. В присутствии водорода становится возможной сегрегация примесей как на узлы ступени, так и на террасные узлы поверхностей.

Атомная и электронная структура (001) и (110) границ раздела Cr(Ni)/NiAl исследована первопринципным методом псевдопотенциала в рамках теории функционала электронной плотности. Анализируются структурные и электронные факторы, определяющие адгезию на границах "металл-сплав". Расчеты электронных характеристик указывают на преимущественно металлически и ковалентный тип связи на границах раздела.

Предложена и численно проанализирована модель фильтрационного сжигания несжимаемого газа в пористом теле горелки цилиндрической формы, работающей в стационарном режиме, при условии идеального внутреннего теплообмена и с учетом взаимодействия с теплообменником. Получено аналитическое решение. пригодное для оценки температуры и термических напряжений в горелочном устройстве. Построены распределения температуры, механических напряжений, типичные для стационарных условий работы горелочного устройства, а также зависимости скорости сжигания газа, радиационного потока тепла от технологических параметров.

На основе компьютерного моделирования методом подвижных клеточных автоматов изучено влияние напряженного состояния границ раздела структурных элементов в блочных средах на их деформационный отклик при динамических воздействиях. Полученные результаты позволили выделить ряд параметров деформационного отклика, величина которых претерпевает качественное изменение при изменении характера напряженного состояния. В качестве таких параметров выступают величина инициированного воздействием относительного тангенциального смещения блоков и некоторые характеристики частотного спектра скоростей таких смещений. Проведенный анализ позволяет предложить комплексный подход к диагностике напряженного состояния фрагментов активных границ раздела в блочных средах различной природы, в частности в иерархически организованной геологической среде.

В монографии рассмотрены диффузия и фазовые превращения в металлах и сплавах. Значительное внимание уделено обсуждению различных аспектов взаимного влияния этих процессов. Важная роль отводится процессам образования и релаксации дефектов кристаллического строения, диффузионной активности сети подвижных дислокаций. для ряда чистых металлов приводится детальное обсуждение результатов исследования кинетических закономерностей полиморфных превращений, процессов зарождения и роста кристаллов в твердой фазе. Освещены закономерности диффузии при распаде пересыщенных твердых растворов в сплавах, содержащих частицы дисперсной фазы, а также в аморфных металлических сплавах. Исследованы фазовые превращения при диффузионном взаимодействии разнородных материалов, действие тонких прослоек на направление диффузионных потоков компонент. Для некоторых чистых металлов, не претерпевших превращений, представлены данные о влиянии электронного строения и дефектной структуры на параметры диффузии. Для научных работников, аспирантов, инженеров, студентов старших курсов вызов, специализирующихся в области физики металлов.

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.

Методами просвечивающей электронной микроскопии исследована зеренно-субзеренная структура субмикрокристаллического никеля, полученного воздействием интенсивной пластической деформации (ИПД). Определены параметры элементов зеренно-субзеренной структуры и относительные доли большеугловых и малоугловых границ зерен в микроструктуре после воздействия ИПД. Анализируется влияние истинного размера зерен, определяемого прямым методом, на механические свойства субмикрокристаллического никеля.

Изучено влияние исходной структуры быстрорежущей стали Р6М5 на характер формирования зерна в процессе закалки и термоциклирования.

На примере титановых сплавов ВТ1-0 и Вт-6 проведены исследования особенностей влияния пластической деформации прокаткой при комнатной температуре на структуру и механические свойства металлических материалов в субмикрокристаллическом состоянии. Показано, что такая обработка может приводить как к упрочнению, так и разупрочнению рассматриваемых сплавов. Установлено, что характер изменения механических свойств определяется соотношением таких параметров структуры, как размер зерен, однородность их распределения по размерам, объемная доля мелких зерен с пониженной плотностью дислокаций.

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.

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.