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.

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.

Пластическая деформация рассматривается как неравновесное структурное превращение, характеризуемое параметрами порядка. Параметры порядка определяют пластическую часть тензора деформации. Получены нелинейные кинетические уравнения реакционно-диффузионного типа для их определения с коэффициентами, зависящими от температуры и напряжений. Проведен расчет указанных коэффициентов в случае, когда пластическая деформация описывается одним параметром порядка.

Методами просвечивающей дифракционной электронной микроскопии на фольгах и репликах исследованы дислокационная структура, дефектная структура границ зерен и их параметры в сплаве Ni3Fe с ближним (БП) и дальним (ДП) атомным порядком на разных стадиях пластической деформации. Обнаружено, что атомное упорядочение приводит к уменьшению пластифицирующего эффекта от двойников сигма3, увеличению плотности зернограничных дефектов, ослаблению их аннигиляции в процессе деформации и, соответственно, к увеличению микронапряжений в тройных стыках границ зерен.

Проведены сравнительные исследования эволюции структуры и спектра разориентировок границ зерен субмикрокристаллического молибдена при свободном отжиге и в условиях ползучести при температуре 1023 К. Установлено, что изменения в спектре разориентировок границ зерен субмикрокристаллического молибдена при отжиге и ползучести наблюдаются одновременно с миграцией границ. Диффузия никеля по границам зерен при отжиге приводит к увеличению в зернограничном ансамбле субмикрокристаллического молибдена доли границ зерен специального типа с сигма 17а. В условиях ползучести зернограничные диффузионные потоки атомов никеля способствуют превращению малоугловых границ в большеугловые и увеличению угла разориентировок большеугловых границ субмикрокристаллического молибдена до 45°—60°.

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.

Книга представляет собой сборник статей, посвященных последним достижениям в области исследования межзеренных границ, атомной структурой которых определяются многие механические свойства поликристаллических материалов. Книга рассчитана на специалистов по физике твердого тела, занимающихся исследованиями и применениями поликристаллов, а также на аспирантов и студентов старших курсов соответствующих специальностей.

Методами оптической металлографии исследована зеренная структура упорядоченных сплавов Ni3Mn, Ni3Fe и интерметаллида Ni3Al, различающихся величиной энергии дефекта упаковки и энергии антифазных границ. Обнаружено, что в интерметаллиде Ni3Al с наибольшей энергией дефекта упаковки (215 эрг/см2) среднее число специальных границ а зернах, ограниченных границами общего типа, наименьшее и составляет 0,2, тогда как в упорядоченных сплавах Ni3Mn и Ni3Fe среднее число таких границ близко к 1. По тройным стыкам проведены оценки относительной энергии специальных границ. Обнаружено, что доля низкоэнергетических специальных границ (когерентных двойников) от общего числа специальных границ имеет максимальное значение (0,8) в сплавеNi3Mn, энергия дефекта упаковки и энергия антифазных границ которого имеет минимальное значение в ряду исследованных сплавов (57 и 75 эрг/см2 соответственно). При анализе результатов использованы представления о структуре специальных границ в упорядоченных сплавах, согласно которым в границах зерен возникают антифазные границы и энергия границ возрастает на величину, равную энергии антифазных границ, по сравнению с разупорядченным сплавом. В сплаве с более низкой энергией дефекта упаковки (Ni3Mn) возможно существование специальных границ без антифазных границ.

Методами рентгено- и нейтронографии исследовано влияние изохронных отжигов на фазовый состав, параметр атомного дальнего порядка в В2-фазе (S), структуру предмартенситных фаз, последовательность и температуры мартенситных превращений (МП) в монокристалле Ti49Ni5. Установлено, что в результате старения сплава Ti49Ni51наблюдается синхронное изменение типа промежуточных структур сдвига в предмартенситной области температур и последовательности МП. Наиболее заметное увеличение S в В2-фазе обнаружено при переходе от зонной стадии старения к стадии роста рентгенографически видимых выделений Ti3Ni4. Явной корреляции между типом предмартенситной структуры, температурой Тr и изменением S не наблюдали. Вместе с тем между изменением S и температурой начала (Мн) МП в В19'-фазу существует прямопропорциональная зависимость.

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.

Проведен обзор работ, посвященных исследованию особенностей диффузии по границам зерен и контролируемых ею процессов в субмикроскопических и нанокристаллических материалах, полученных методами интенсивной пластической деформации. для установления параметров диффузии по границам зерен и тройным стыкам в металлах, не зависимых от результатов обработки диффузионных экспериментов на основе моделей диффузии, представлены результаты молекулярно-динамического исследования диффузии в нанокристаллическом состоянии на примере меди. Проводится сопоставление диффузии по границам зерен в субмикроскопических и нанокристаллических материалах, полученных различными методами.

Методами электронной микроскопии и эмиссионной мессбауэровской спектроскопии выполнено исследование грани зерен субмикрокристаллического молибдена, полученного кручением под высоким давлением.

В рамках модели решетки совпадающих узлов и 0-решетки Боллманна исследована атомная структура специальных границ в бинарном сплаве со сверхструктурой L1. Обнаружено, что в совпадающих узлах в плоскости границы возникает нарушение дальнего атомного порядка, т. е. образуется зернограничная антифазная граница (АФГ). Это должно приводить к увеличению энергии специальных границ. Экспериментально обнаруженное увеличение средней энергии специальных границ для сплава Ni3Fe при атомном упорядочении близко к оценочному значению энергии зернограничных АФГ, залегающих в плоскостях границ зерен.

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.

Методом трансмиссионной электронной микроскопии исследована субмикрокристаллическая структура Мо, полученная в результате интенсивной пластической деформации кручением на 5 оборотов при 400 градусах Цельсия под давлением 6 ГПа, и ее термическая стабильность. Методом эмиссионной мессбауэровской спектроскопии исследовано состояние границ зерен субмикрокристаллического Мо после отжига в интервале температур 350-800 гр.Цельсия.

Полнопотенциальным методом присоединенных плоских волн мы изучили электронную структуру объемного и дефектного никеля, содержащего границу наклона Sigma5(210) TiNi с границей Sigma5(310). Анализируются рассчитанные спектры характеристических потерь энергии электронами, рентгеновские спектры абсорбции и эмиссии в никеле и никелевых сплавах в зависимости от состава, структуры и дефектности. Полученные электронные спектры эмиссии и абсорбции находятся в хорошем согласии с известными экспериментальными данными.??.

Методами просвечивающей дифракционной электронной микроскопии и оптической металлографии исследованы зеренная структура и кристаллографические параметры границ зерен сплава Pd3Fe в состоянии с ближним и дальним атомными порядками со сверхструктурой L1. Обнаружено, что при упорядочивающем отжиге сплава Pd3Fe, температура упорядочения которого ниже температуры рекристаллизации, происходят изменения в зеренной структуре. Уменьшаются как средние расстояния между ближайшими границами, так и средние размеры зерен. Возрастает доля двойниковых границ с обратной плотностью совпадающих узлов, равной 3. Последнее приводит к уменьшению средней энергии двойников. Проводится сравнительный анализ изменений в зеренной структуре в сплавах Ni3Fe и Pd3Fe в процессе фазового перехода Al-L1. Обсуждаются механизмы, приводящие к изменению зеренной структуры при упорядочивающем отжиге.

С использованием метода молекулярной динамики проведено моделирование поведения большеугловой границы зерен в бикристалле меди в условиях сдвигового нагружения. В качестве объекта исследований выбрана граница S = 5 (210)[001]. Показано, что зернограничное проскальзывание может сопровождаться движением межзеренной границы в направлении, перпендикулярном приложенной нагрузке. Исследования проведены как для границы с идеальной симметричной структурой, так и для границы, имеющей сложную структуру. Для обоих рассмотренных случаев анализируются особенности атомистических механизмов зернограничного проскальзывания. Отмечается влияние структуры границы на динамику такого движения. Кроме того, в работе выявлена зависимость скорости движения границы зерен от величины приложенного нагружения. Обнаруженное поведение межзеренной границы в условиях сдвиговой деформации может оказывать существенное влияние на изменение микроструктуры материала и, как результат, на его свойства и особенности поведения под нагрузкой.

С помощью компьютерного моделирования исследовано поведение большеугловой границы зерен специального типа в бикристалле меди в условиях сдвигового нагружения. Обнаружено, что одновременно с относительным проскальзыванием зерен в направлении приложенной нагрузки происходит перемещение положения границы зерен в направлении, перпендикулярном действию сдвиговой деформации. Обнаруженное движение носит дискретный характер. Оно приводит к росту одного зерна за счет другого. В работе анализируется механизм такого перемещения, а также исследовано влияние скорости и направления нагружения на характер поведения границы зерен. Результаты исследований позволяют лучше понять атомные механизмы развития пластической деформации в поликристаллических материалах.

Методами растровой и просвечивающей электронной микроскопии проведены сравнительные исследования эволюции структуры ультрамелкозернистого и мелкозернистого молибдена в условиях одновременного воздействия внешнего приложенного напряжения в зернограничных диффузионных потоков атомов никеля с поверхности. Изучена кинетика и определены значения энергии активации инициированной диффузией никеля рекристаллизации молибдена в обоих состояниях. Установлена качественная идентичность влияния внешнего напряжения на развитие активированной рекристаллизации в молибдене с различным состоянием границ зерен. Обсуждаются возможные причины тормозящего влияния напряжения на развитие инициированной диффузией никеля рекристаллизации молибдена.

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.

Исследован эффект образования дислокационных структур вблизи границ зерен поликристаллического молибдена при зернограничной диффузии никеля из внешнего источника. Обсуждается влияние режима диффузии на особенности проявления данного эффекта для границ зерен различного типа.

Исследована ползучесть тонких образцов молибдена в широком интервале скоростей деформации при воздействии зернограничными диффузионными потоками никеля из внешнего источника (покрытия). рассмотрено влияние толщины разупрочненного (за счет диффузионных потоков) слоя на характер зависимости lg σ - lg ε. Проведен анализ влияния режима зернограничной диффузии примеси на величину показателя скоростной чувствительности и зависимость скорости миграции границ зерен от внешних напряжений.

Проведен оже-спектральный анализ состояния границ зерен молибдена после отжига без нагрузки и при ползучести в условиях диффузионного контакта с никелем. Показана возможность анализа режима зернограничной диффузии и мигрирующих границах путем определения концентрации примеси в них после испытаний. анализируются причины изменения показателя скоростной чувствительности и проявления сверхпластичных свойств молибдена при ползучести в указанных условиях.

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.

Изучены закономерности деформационного поведения ультрамелкозернистого алюминиевого сплава, полученного интенсивной пластической деформацией. Показано, что в сравнении с ультрамелкозернистым алюминием выделяющиеся в объеме и на границах зерен сплава частицы вторичных фаз препятствуют развитию зернограничного проскальзывания и локализации пластической деформации. Это приводит к увеличению протяженности стадии деформационного упрочнения и соответствующему повышению величины равномерного удлинения в гетерофазном алюминиевом сплаве по сравнению с чистым алюминием.

Методами электронной микроскопии и дифракции обратно рассеянных электронов проведены исследования влияния отжигов и небольших деформаций (до 20 %) на структуру и спектр разориентировок границ зерен субмикрокристаллического никеля. Установлено, что увеличение доли большеугловых границ зерен в зернограничном ансамбле субмикрокристаллического никеля в процессе отжигов происходит в основном за счет образования двойников отжига. Показана зависимость эволюции структуры и спектра разориентировок границ зерен никеля в процессе деформации от механизма деформации. В условиях ползучести развитие зернограничного проскальзывания способствует сохранению субмикрокристаллической структуры и увеличению доли большеугловых границ зерен в зернограничном ансамбле никеля.

Проведен анализ экспериментальных значений параметра k сигма уравнения Холла-Петча, полученных при растяжении образцов поликристаллического свинца в широком интервале температур Т с двумя скоростями нагружения. В среднем интервале Т получено хорошее согласие теоретических и экспериментальных зависимостей k сигма= f(T). Занижение экспериментальных значений k сигма по сравнению с рассчитанными по теории плоских скоплений дислокаций при очень низких Т связывается с высокой кривизной границ зерен, которая вызывает очень высокую низкотемпературную пластичность поликристаллов и генерацию в них полосовых структур.??.

A dislocation pile-up analysis of the Hall-Petch constant ke for the tensile deformation of polycrystalline lead over a wide range of temperature T and at two strain rates has been made. The predicted and experimental ke2 = f(T) Hall-Petch dependencies are in good agreement. Lower than predicted ke values at very low temperatures are attributed to the high curvature of grain boundaries which experience high localized plasticity and consequent shear banding.

В рамках многоуровневого подхода физической мезомеханики исследованы механизмы самосогласования поворотных мод циклической деформации на мезомасштабном уровне в поверхностных слоях поликристаллов различной природы. Получено прямое экспериментальное подтверждение эффекта «шахматного» распределения пластической деформации в зоне интерфейса «поверхностный слой – подложка» и на внутренних границах раздела.

Изучено влияние крупномасштабных границ раздела в виде протяженных поперечных локализованных областей переплава на механизм пластической деформации поликристаллов низкоуглеродистой стали. Теоретически и экспериментально показано, что в зоне таких границ раздела возникают осциллирующие мезоконцентраторы напряжений, релаксация которых обусловливает формирование в деформируемых поликристаллах периодических полосовых структур мезомасштабного уровня.

Представлены результаты первопринципных расчетов электронной структуры сплавов Гейслера Co2MnGa(Si) и Ni2MnGa, а также их тонких пленок на полупроводниковых подложках. Анализируется влияние структурных дефектов на электронную структуру и магнитные свойства в объеме, на поверхности и границах раздела.

Приводятся экспериментальные данные о развитии в поверхностных слоях поликристаллов при их циклическом нагружении каналированных локальных структурных превращений вдоль направлений максимальных касательных напряжений. Данный процесс развивается стадийно. На первой стадии нагружения происходит каналированная экструзия островков материала поверхностного слоя, на второй стадии - их коагуляция во фрагментированные складчатые структуры. Геометрические параметры складчатых структур коррелируют с энергией дефекта упаковки материала. Полученные результаты подтверждают концепцию физической мезомеханики о «шахматном» распределении растягивающих и сжимающих нормальных напряжений на интерфейсе «ослабленный поверхностный слой - кристаллическая подложка материала».

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.

Методами рентгеновской дифрактометрии, растровой электронной микроскопии с микрорентгеноспектральным анализом и с использованием метода дифракции обратнорассеянных электронов исследована микроструктура сплавов системы Ni-Mn с разным содержанием марганца, упорядочивающихся с образованием сверхструктуры LI2. обнаружено, что увеличение степени дальнего атомного порядка приводит к усилению эффекта "сверхструктурного сжатия", уменьшению микроискажений и статических смещений, уменьшению доли двойниковых границ. Эти изменения в зеренной структуре обусловливают превращение текстуры сплава в "серую".

Проведены исследования закономерностей сверхпластического течения титанового сплава ВТ6 в субмикрокристаллическом состоянии. На примере указанного сплава показана возможность применения метода атомно-силовой микроскопии для определения высоты ступенек, образующихся на границах в результате проскальзывания зерен друг относительно друга, в субмикрокристаллических металлах.

Исследовано влияние температуры старения на микроструктуру и механические свойства ферритно-мартенситной стали ЭК-181, подвергнутой закалке и последующей ультразвуковой обработке. Показано, что после высокотемпературного старения при 720С в поверхностных слоях стали образуется нанокристаллическая структура а-фазы с карбидами ванадия по границам зерен.

Исследованы механизмы знакопеременной интенсивной пластической деформации на мезомасштабных уровнях тонких фольг высокочистого алюминия. Поликристаллические фольги различной толщины приклеивали к более жестким образцам технического титана или алюминия и подвергали знакопеременному изгибу. Это обусловило сильное различие граничных условий на лицевой и обратной сторонах фольги и позволило показать важную роль взаимного влияния растягивающих и сжимающих нормальных напряжений в развитии пластической деформации материала. Исследованные механизмы локализованной пластической деформации и ее самоорганизация на мезомасштабных уровнях контролируются полем максимальных касательных напряжений и вызываемых ими поворотных мод деформации. На свободных поверхностях фольг в условиях их интенсивной пластической деформации развивается пористость, которая сильно зависит от толщины фольги. На обратных сторонах всех исследованных фольг пористость не возникает. Очень тонкое скольжение и формирование твидовой структуры в тонких фольгах связывается с «шахматным» распределением растягивающих и сжимающих напряжений на внутренних границах раздела. Влияние степени неравновесности материала в условиях интенсивной пластической деформации на механизмы деформации анализируется на основе неравновесной термодинамики локальных структурно-фазовых превращений в зонах гидростатического растяжения.

Методами теории функционала электронной плотности исследованы электронная структура и магнитные свойства возможных типов контактов на границе раздела (001) между сплавами Гейслера составов XYZ и X2YZ (NiMnSb и Co2MnSi) и полупроводниками III-V групп (InP и GaAs). Показано, что в обоих случаях максимальная спиновая поляризация достигается на контактах Ni/P(As) или Co/As. Исследовано влияние структурных дефектов на поверхности и границах раздела на спиновую поляризацию на уровне Ферми. Проведен анализ природы состояний на границе раздела сплав Гейслера-полупроводник и электронных факторов, способствующих потере или сохранению полуметаллического поведения на рассмотренных контактах. Расчеты локальных магнитных моментов показали, что магнитные свойства контактных атомов не изменяются значительно на границах раздела вследствие частичной компенсации их координации за счет атомов полупроводника. Увеличение степени спиновой поляризации может быть достигнуто за счет легирования на подрешетке Х-элемента.

Проведено молекулярно-динамическое моделирование влияния межзеренных границ на формирование радиационно-поврежденных областей в кристаллитах ванадия. Межатомное взаимодействие описано в рамках метода погруженного атома. В кристаллитах ванадия ка с идеальной структурой, так и с границами раздела, после релаксации каскадов атомных смещений формируется относительно малое число кластеров, состоящих из точечных дефектов (вакансий и собственных межузельных атомов-СМА). 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.

В настоящей работе с позиций физической мезомеханики численно исследуются процессы формирования деформационного рельефа на поверхности структурно-неоднородных материалов на примере поликристаллических материалов и материалов с покрытиями. В трехмерной постановке исследовано напряженно-деформированное состояние в объеме и на поверхности материалов в условиях одноосного растяжения. Проанализировано влияние внутренних границ раздела на процессы, происходящие на поверхности. Показана роль внутренней структуры в процессе формирования деформационного рельефа на свободной поверхности.

Книга посвящена одному из наиболее быстро развивающихся разделов современного физического металловедения. Наряду с механизмами явлений, происходящих при рекристаллизации, обсуждаются конкретные примеры технологических процессов. Обзор результатов, полученных в этой области со времени выхода книги за рубежом, приводится в послесловии. Для книги характерно ясное изложение материала, широта рассматриваемых проблем. детальное обсуждение нерешенных вопросов. Книга рассчитана на научных работников, занятых в области металловедения, металлофизики, физики твердого тела. Может быть полезна аспирантам и студентам-старшекурсникам, делающим первые шаги в науке.

Изложены основы теории границ зерен, позволяющей описывать термодинамические и диффузионные свойства равновесных и неравновесных границ в металлах. Описаны основные зернограничные процессы: возврат, рекристаллизация, зернограничное проскальзывание и упрочнение. Рассмотрены приложения теории, связанные с описанием особенностей поведения микрокристалличесикх металлов, сверхпластичных сплавов, материалов, деформируемых в условиях ползучест, и др. Книга предназначена для научных и инженерно-технических работников, студентов, аспирантов, специализирующихся в области физики конденсированного состояния, физики металлов и физического материаловведения.

Проведен анализ изменения симметрии при структурном фазовом переходе В2-ПССС2 с последующими мартенситными превращениями в фазы В19 и В19' . Показана взаимосвязь смещений атомов с деформацией решетки. Установлено, что структуры с продольными и поперечными смещениями имеют одинаковую симметрию и могут переходить друг в друга посредством операции двойникования. Получен трансформационный ряд преобразований тензора деформации решетки, согласованный с трансформациями смещений атомов. При этом операции, осуществляющие эти преобразования, являются операциями двойникования.

Разработан а многоуровневая модель деформируемого поликристалла, согласно которой в основе самосогласования деформирующихся зерен лежит развитие в их границах ротационно-волновых потоков планарных структурных трансформаций. В рамках инженерии границ зерен компьютерным моделированием выявлены два типа ротационно-волновых потоков, которые определяются углом разориентации смежных зерен. Первый тип зернограничных потоков развивается в малоугловых границах и характеризуется малой кривизной.. такие потоки генерируют в объем зерен дислокации. Зернограничные потоки второго типа развиваются в большеугловых границах и имеют большую кривизну. Они формируют в приграничных зонах и инжектируют в объем зерен полосы кривизны, которые вызывают фрагментацию зерен и сильное нарушение трансляционной инвариантности. Приводятся экспериментальные данные, подтверждающие предложенную многоуровневую модель.

Методами просвечивающей электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа проведены исследования структурных и фазовых превращений в стали 10Г2ФТ после холодной деформации кручением под гидростатическим давлением (КГД) и последующего нагрева. Независимо от исходного состояния - феррито-перлитного или мартенситных (полученных закалкой от 950С и 1180С), КГД при комнатной температуре приводит к формированию наноразмерной зеренно-субзернной ориентированной структуры. Средний размер элементов зеренно-субзеренной структуры в стали 10Г2ФТ после интенсивной пластической деформации больше в случае исходно феррито-перлитного состояния (95 нм) по сравнению с исходно мартенситной структурой (65 и 50 нам после закалки от 950С и 1180С соответственно). Показано, что закалка от температур 950С и 1180С приводит к формированию мартенсита разной дисперсности, что, в свою очередь, обуславливает различия в размере наноструктур и уровне прочностных свойств, получаемых после КГД. Закалка от температуры 1180С способствует более высокой термической стабильности, полученной после КГД нанокристаллической структуры стали 10Г2ФТ за счет большей доли выделяемых карбидов ванадия. Установлено, что КГД приводит к существенному росту микротвердости стали 10Г2ФТ по сравнению с исходным состоянием (более чем в 3 раза для феррито-перлитного состояния и более чем в 2 раза в случае исходно мартенситных состояний).

Теоретически и экспериментально изучен характер структурно-фазовых превращений в поверхностном слое инструментальной металлокерамики "карбид титана-никель-хромовая связка" при электронном облучении. Математически проанализировано термическое влияние электронного облучения на структуру приповерхностного слоя композиционного материала дисперсного строения, проведены количественные оценки глубины зоны структурно-фазовых превращений. Экспериментально исследованы микроструктура и концентрационный профиль распределения титана в металлическом связующем после импульсного электронного облучения.

Изучена зависимость твердости (HV) от приложенной нагрузки. Установлено, что для материалов, способных испытывать фазовые превращения, твердость возрастает при увеличении нагрузки, что обусловлено фазовым переходом, протекающим в материале.

Рассмотрены возможные структурные превращения В2 - R через промежуточную структуру R0 с пространственной группой D3/3d. Вычислены подгруппы с гексагональной решеткой группы D3/3d связанные с нарушением симметрии структуры R0 смещениями атомов с волновыми векторами, принадлежащими двухлучевой звезде. Предложена кристаллографическая модель возможных превращений В2-структуры в R-мартенсит, характеризуемая единственным для всех превращений параметром порядка.

Получены ультрадисперсные оксигидроксиды алюминия при взаимодействии электровзрывногонанодисперсного алюминия с водой при 55 оС. Исходные образцы подвергнуты старению в щелочной среде (рН 10) при 20 и 50 оС. Показано, что в процессе старения в продуктах реакции увеличивается содержание структурной воды, уменьшаются удельная поверхность и предельный адсорбционный объем. Отмечено увеличение интенсивности рефлексов байерита и снижение интенсивности линий псевдобемита во времени. Сорбция насыщенных паров бензола при 20 оС снижается в процессе старения образцов. Отмеченные процессы более интенсивно протекают при 50 оС. По результатам термического и рентгенофазового анализа сделан вывод о протекании в реакционной среде превращения псевдобемит-байерит-бемит.

На примере цинка и латуни (Л63) показано, что нагрев проволочек импульсом тока с плотностью j = 3.3х10 в степени 7 А/см2 до температуры плавления приводит к формированию жидкой фазы с сохранением ближнего порядка. Впервые в условиях нагрева проволочек импульсом тока с плотностью j = 3.3х10 в степени 7 А/см2 установлено уменьшение электрического сопротивления жидких фаз латуни и цинка с ростом температуры. На основании статистического подхода к описанию структуры жидких металлов изучена эволюция структуры жидкого цинка в условиях теплового расширения. На примере цинка показано, что формирование неоднородной структуры жидкого металла в условиях теплового расширения может происходить вследствие разрушения ближнего порядка. Температура разрушения ближнего порядка в жидком цинке была рассчитана с использованием кластерно-ассоциатной модели строения жидких металлов и составила 1160 К.

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.

Показано, что в поверхностных слоях поликристаллов титана, алюминия, свинца и сплавов на его основе при знакопеременном изгибе формируется многоуровневая мезосубструктура, которая определяет зарождение поверхностных усталостных трещин. Характер мезосубструктуры и размеры ее структурных элементов определяются сдвиговой устойчивостью внутренней структуры поверхностного слоя и упругими характеристиками материала основы. Обсуждение проводится на основе теории волн локализованной неупругой деформации В. Е. Егорушкина.

Исследованы изменения структурных характеристик молекул асфальтенов в зависимости от состава и химического типа нефтяной дисперсионной среды. Эксперименты проводили на модельных системах метанового и нафтенового типов. Показано, что с увеличением доли ароматических углеводородов в дисперсионной среде изменяются структурно-групповые характеристики средних молекул асфальтенов: молекулярная масса, количество ароматических и нафтеновых циклов, количество структурных блоков в молекуле.

Приведен обзор работ авторов с сотрудниками [1-20 и др.], посвященных проблемам природы процессов массопереноса через интерфейсы в твердых телах и биологические мембраны. Сделано заключение, что в основе распространения транспортных потоков лежат структурно-фазовые переходы наноструктурных состояний на границах раздела в гетерогенных средах.

Представлены результаты расчетов атомной и электронной структуры границ раздела Nb/Al2O3(0001) и Ni/ZrO2(001), полученные в рамках теории функционала плотности. Проведены оценки энергий образования кислородных вакансий в объемных материалах, в поверхностных и интерфейсных слоях для разных окончаний оксидных поверхностей. Обсуждается влияние кислородных вакансий на механизм связи переходных металлов с атомами подложки, определяющий адгезию на границах раздела металл-оксид. Результаты указывают на ослабление Nb(Ni)-O-взаимодействия на границах раздела при наличии поверхностных кислородных вакансий.

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.

Приведены результаты теоретического исследования влияния физико-механических свойств поверхностных слоев интерфейсно контролируемых материалов на характер распределения деформаций в объеме образцов, находящихся в сложных условиях нагружения, и на величину их предельной деформации. Показано, что модификация поверхности, связанная с уменьшением модуля Юнга и предела упругости границ раздела структурных элементов в поверхностных слоях материала, способствует более равномерному распределению необратимых деформаций в объеме образца. Это приводит к росту его предельной деформации.

Проведено экспериментальное исследование отклика границ раздела структурно-тектонических блоков земной коры (активных разломов) на вибрационные воздействия и изменение их состояния, реализуемое обводнением. Важнейшим результатом исследования является установление того факт, что совместное влияние вибрационного воздействия и обводнения может принципиально изменять характер отклика сейсмически активных разломов и приводить к инициации аномальных по величине, но плавных смещений гео-блоков без выделения мощных сейсмических импульсов. Анализ результатов на основе обобщенной модели Томлинсона показано, что обнаруженное изменение характера отклика границ раздела структурных элементов является общим для разломно-блоковых сред различной природы. Проведенные исследования позволили авторам предложить новый подход к техногенному управлению режимом смещений в зонах сейсмоактивных разломов, который может быть использован для решения проблем обеспечения сейсмобезопасности.

Путем компьютерного моделирования методом подвижных клеточных автоматов проведено теоретическое изучение отклика активных границ раздела структурно-тектонических блоков земной коры (разломов0 на вибрационные воздействия и изменение их состояния, реализуемое обводнением. Результаты расчетов подтвердили выводы, сделанные по данным натурных испытаний, а также позволили выявить роль каждого из факторов в изменении характера отклика разлома, что может быть использовано для однозначного объяснения обнаруженных экспериментально эффектов. На основе результатов моделирования и экспериментальных данных разработан конкретный способ реализации предложенного подхода к техногенному управлению режимом смещений в зонах сейсмооактивных разломов, основанный на применении электроразрядных технологий.

На основе уравнений полевой теории дефектов, замкнутой определяющим соотношением вязкоупругих тел, рассмотрены закономерности распространения плоских волн поля дефектов через границу раздела. Записаны граничные условия, определяющие соотношения параметров поля дефектов на границе раздела, что позволило получить выражения для коэффициентов отражения и преломления и сдвига фаз волн на границе раздела.

В рамках теории функционала электронной плотности на основе первых принципов проведен расчет электронной структуры и магнитных свойств границы раздела (110) между сплавом NiMnSb и GaAs в зависимости от конфигурации контактных атомов. Обнаружено, что две их шести возможных атомных конфигураций границы раздела обладает высокой степенью спиновой поляризации, которая достигает 100% для одной из изученных интерфейсных структур.

Представлены результаты расчетов атомной и электронной структуры Pd и TiFe с симметричными границами наклона, полученные методами теории функционала электронной плотности. Обсуждается сорбция водорода на границах наклона и соответствующих им поверхностях. Показано, что значения энергии абсорбции водорода увеличиваются по модулю на 0.2 еV на границе Pd и на 0.5 еV в В2-TiFe. Как в палладии, так и в TiFe энергия связи водорода в наиболее предпочтительных позициях на поверхности выше, чем вблизи границ зерен. Установлено, что как и в бездефектном материале, на границе наклона прослеживается тенденция - сильная связь примеси на границе зерна в матрице металла или сплава уменьшает энергию сорбции водорода.

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.

Исследованы механизмы пластической деформации тонких фольг алюминия, закрепленных на упруго деформируемой подложке, при высоких степенях знакопеременного изгиба. На стадии развития в поверхностном слое экструзии-интрузии материала алюминиевой фольги в ее объеме происходит многоуровневая фрагментация структуры с формированием между субзернами наноструктурированных фазовых границ. Ширина наноструктурированных фазовых границ изменяется в пределах 200-300 нм, размер структурных элементов внутри наноструктурированных фазовых границ составляет 30-50 нм. Образование наноструктурированных фазовых границ на границах неравновесных субзерен классифицируется как механизм фрагментации материала на субмикромасштабном уровне в условиях изгиба-кручения при интенсивной пластической деформации.

Проведено изучение возможности направленного воздействия на процесс релаксации локальных напряжений в интерфейсных средах, находящихся в сложном напряженном состоянии, путем изменения состояния границ раздела структурных элементов. Исследования проводились на примере ледового покрова озера Байкал, который представляет собой иерархически организованную разломно-блоковую среду и относится к классу интерфейсных сред. Показано, что изменением состояния границ раздела структурных элементов можно направленным образом менять режим деформации интерфейсной среды в целом. теоретически подтверждена общность полученного эффекта.

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 статье на основе компьютерного моделирования методом подвижных клеточных автоматов (методом МСА) изучены особенности деформирования и разрушения интерфейсных материалов, находящихся в сложном напряженном состоянии, в условиях циклического нагружения. Показано, что вибрационное воздействие с «высокими» частотами, превышающими собственные частоты образца, может существенно повышать деформационную способность интерфейсных материалов, что связано с действием вибрации как своеобразного «деформационного насоса». Развитый формализм интерфейсных сред применен для теоретического исследования отклика границ раздела структурно-тектонических блоков земной коры (разломов) на вибрационные воздействия и изменение их состояния, реализуемое обводнением. Важнейшим результатом исследования является установление того факта, что совместное влияние «высокочастотного» вибрационного воздействия и обводнения принципиально меняет характер отклика обводненного разлома и может приводить к инициации аномальных по величине, но плавных смещений геоблоков без выделения мощных сейсмических импульсов. Результаты расчетов подтверждены в ходе натурных экспериментов на Ангарском разломе Байкальской рифтовой зоны. Это позволило предложить новый подход к техногенному управлению режимом смещений в зонах сейсмоактивных разломов, который может быть использован для решения проблем обеспечения сейсмобезопасности.