Книга содержит материалы 3-й Всероссийской конференции молодых ученых "Фундаментальные проблемы новых технологий в 3-м тысячелетии" (Томск, 3-6 марта 2006). Представлены доклады по следующим направлениям: сильноточная электроника, радиационная физика, современные методы получения, исследования и обработки органических и неорганических материалов, экология природных комплексов и методы исследования окружающей среды, современные методы обработки и анализа информации.

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.

Проведено исследование зарождения и распространения мезополос неупругой деформации в двухуровневой неравновесной системе "поверхностный слой - подложка" при одноосном растяжении. Применен метод стохастических возбудимых клеточных автоматов, подробно изложенный в [1]. Показано, что мезополосы неупругой деформации зарождаются в областях растягивающих нормальных напряжений на интерфейсе и распространяются в глубь материла по сопряженным направлениям максимальных касательных напряжений. При пересечении мезополос, распространяющихся в двух смежных сопряженных направлениях, их развитие прекращается.

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

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

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.

Обобщены результаты исследования новых механизмов деформации и переориентации кристаллической решетки - механизмов прямых плюс обратных (по альтернативным системам) превращений мартенситного типа в металлических материалах (чистые металлы, аустенитные стали, сплавы на основе Ni3Al) с ГЦК-решеткой. Дан краткий обзор экспериментальных результатов, лежащих в основе разработки этих механизмов. Представлены атомные модели этих превращений. В рамках предложенных механизмов можно с единых позиций описать такие явления пластической деформации, как зарождение дислокаций, механическое двойникование и образование полос локализации деформации с высокоугловыми границами разориентации.

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.

Предложен подход к многоуровневому описанию деформации и разрушения хрупких пористых сред с одним максимумом на гистограмме распределения пор по размерам в рамках метода подвижных клеточных автоматов. Подход основан на определении эффективной функции отклика клеточного автомата прямым моделированием представительного объема пористой среды. Разработана иерархическая модель механического поведения керамики на основе ZrO2 с размером пор соизмеримым со средним размером зерна при сдвиговом нагружении и одноосном сжатии. Исследованы возможности разработанного подхода по учету неоднородности пространственного распределения прочностных свойств пористых сред путем изменения параметров межавтоматного взаимодействия по стохастически выбранным направлениям. Показано, что такой способ учета неоднородности открывает широкие перспективы для многоуровнего описания пористых сред с иерархической структурой порового пространства.

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.

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.

Исследованы мезоскопические масштабные уровни пластической деформации поверхностных слоев поликристаллов свинца, его сплавов с малорастворимыми элементами, алюминия и титана при знакопеременном изгибе. Обнаружены новые механизмы пластического течения на мезоуровне: расслоение материала в зонах стесненной деформации на ламели и их взаимное смещение (свинец и его сплавы), самосогласованное гофрирование поверхностного слоя в иерархии мезомасштабных уровней деформации (алюминий), аномально большие вертикальные смещения мезоблоков поверхностного слоя с формированием двухуровневой клеточной структуры (титан с наводороженным поверхностным слоем). На основе многоуровневого подхода делается заключение, что механизмы деформации поверхностных слоев твердых тел на мезоуровне при знакопеременном изгибе определяются самосогласованием поворотных мод деформации в поверхностных слоях и «шахматным» распределением нормальных и касательных напряжений на границе раздела «поверхностный слой – подложка».

Изучено влияние интенсивной пластической деформации и изотермических отжигов на формирование дислокационной субструктуры в сплаве на основе никелида титана с термоупругим мартенситным превращением. Показано, что особенностью исследованного сплава является высокая скалярная плотность дислокаций, которая сохраняется вплоть до температур 1073 K. Уменьшение плотности дислокаций происходит только в результате термообработок при температуре 1373 K. Установлено, что изменение микроструктуры приводит к изменению скорости накопления остаточной деформации при квазистатическом и циклическом нагружении. На основании экспериментальных данных сделаны предположения о возможности развития дислокационного и мартенситного механизмов деформации.

Исследованы макроскопические картины локализации пластического течения в металлах и сплавах с ГЦК-, ОЦК- и ГПУ- кристаллическими решетками. Установлено, что пластическая деформация во всех случаях протекает локализовано на всем протяжении процесса деформирования. Тип наблюдаемых картин локализации определяется законом деформационного упрочнения, действующим на соответствующей стадии процесса. Показано, что картины макролокализации пластического течения имеют автоволновой характер. Прослежена эволюция картин локализации вдоль кривой пластического течения в исследованных материалах. рассмотрена кинетика развития локализации пластического течения на стадии предразрушения.

Экспериментально изучены закономерности и механизмы интенсивной пластической деформации (ИПД) при знакопеременном изгибе поликристаллической фольги высокочистого алюминия А999, наклеенной на упруго деформируемый плоски образец алюминия А7 или титана ВТ1-0. Установлены новые нелинейные волновые процессы, связанные с солитонами кривизны в поверхностных слоях сильно деформированных металлических материалов. Доказывается необходимость учета обнаруженных закономерностей ИПД при описании поведения наноструктурных материалов, тонких пленок и покрытий.

На основе динамических уравнений континуальной теории дефектов проведен анализ потоков энергии поля дефектов через границу раздела двух вязкопластических сред. Получены соотношения, определяющие отражательную и пропускательную способности границ раздела, которые показывают, какая доля энергии падающей волны дефектов уносится отраженной волной и какая переносится преломленной во вторую среду. Рассчитаны и проанализированы зависимости коэффициентов преломления от угла падения первичной волны.

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

Рассмотрены стадийность кривых пластического течения и формы локализации пластической деформации при растяжении образцов из циркониевых сплавов. Установлена и обсуждена связь картин локализаций с законом деформационного упрочнения при пластическом течении. Приведены данные о дислокационной структуре деформируемых сплавов в областях локализации деформации.

Исследованы эффекты электрической поляризации, электромагнитного излучения и акустической эмиссии при сжатии гранита, мрамора и монокристаллов LiF. Обнаружено большое сходство качественного изменения амплитуды измеряемых сигналов различной физической природы с увеличением внешнего напряжения до разрушения. На примере исследования токов поляризации в монокристаллах LiF показано, что существует четкая связь качественного и количественного изменения амплитуды сигнала со стадиями развития локализованных сдвигов в объеме материала. Масштабные уровни локализации пластической деформации кристаллических материалов и горных пород при сжатии качественно подобны таковым при растяжении металлических материалов. Полученные данные анализируются с позиции представлений физической мезомеханики. Обсуждается возможность использования эффектов электрической поляризации, электромагнитного излучения и акустической эмиссии для предсказания землетрясений.

Исследованы кристаллографические особенности распределения зон локализации деформации при растяжении металлических монокристаллов с различной ориентировкой оси растяжения и с разными механизмами пластического течения (дислокационное скольжение и мартенситное превращение). Показано, что кристаллографическая ориентация зон локализации, трактуемых как картины самоорганизации пластического течения, сохраняется на всем протяжении процесса. Рассмотрены некоторые особенности динамики движения очагов локализации деформации.

В сплаве Zr+1% Nb в двух структурных состояниях прослежено распределение дефектов в зонах локализации пластической деформации. Установлено, что на стадии параболического деформационного упрочнения дислокационная структура развивается неравномерно. Накопление дефектов и развитие дислокационной структуры в зонах локализованной деформации происходят быстрее, чем в зонах с пониженной скоростью течения.

Проведено сравнительное исследование структурных состояний, формирующихся в ОЦК сплавах на основе V и Mo-Re после больших пластических деформаций кручением на наковальнях Бриджмена и прокатной при комнатной температуре. Методами просвечивающие электронной микроскопии определены количественных параметры зеренной и дефектной структуры. Показано, что характерной особенностью исследованных материалов является формирование после больших степеней деформации двухуровневых структурных состояний - субмикрозерен размерами не более 200 нм с высокоугловыми границами, фрагментированных на нанокристаллы размерами от 5 до 20 нм с малоугловыми разориентировками.

Исследовано влияние интенсивной пластической деформации на микроструктуру и свойства металлических материалов на примере алюминиевого сплава А85, подвергнутого равноканальному угловому прессованию и циркониевого сплава Г110, подвергнутого ковке с переменой осей осаживания. Установлено, что при деформациях в сплавах формируется промежуточная мелкозернистая структура с бимодальным распределением зерен по размерам. При растяжении образцов из материалов с такой структурой происходит быстрая локализация деформации и образование шейки, способной к значительному утонению.

Проведено электронно-микроскопическое исследование структурных превращений в [001] монокристаллах TiNi(Fe,Mo) при интенсивной пластической деформации кручением под давлением (ИПДК) в зависимости от степени деформации.

Представлены результаты электронно-микроскопического исследования неравновесных структурных состояний с высокими значениями кривизны и градиентов кривизны кристаллической решетки. формирующихся в объемных наноструктурных металлических материалах, полученных методами интенсивной пластической деформации. Изложена методика их электронно-микроскопической аттестации, исследования внутренних напряжений и градиентов (моментов) этих напряжений, локализованных на субмикронном масштабном уровне. Предложена структурная модель этих состояний как состояний с высокой континуальной плотностью дефектов (дислокаций и дисклинаций) в объеме и на границах зерен.