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.

Проведен анализ особенностей проявления эффекта ускорения ползучести поликристаллических металлов и сплавов при наличии зернограничных диффузионных потоков примеси из внешней среды (покрытия). Рассмотрено влияние толщины разупрочненного (за счет диффузионных потоков примеси) слоя на характер ползучести молибдена в условиях диффузионного контакта с никелем. Проведен анализ влияния режима зернограничной диффузии примеси на величину показателя скоростной чувствительности и зависимость скорости миграции границ зерен (ГЗ) от внешних напряжений. на примере субмикрокристаллического (СМК) никеля изучено влияние состояния ГЗ на свойства металлических материалов в СМК-состоянии. Проведены прямые измерения и теоретические расчеты, а также сделаны косвенные оценки различия коэффициентов зернограничной диффузии в крупно- и ультрамелкозернистом состояниях. Рассмотрена роль дисперсного упрочнения в стабилизации СМК-структуры и увеличении сопротивления ползучести, в том числе в условиях воздействия зернограничными диффузионными потоками атомов примеси из внешней среды.

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.

Монография посвящена изучению теплофизических свойств вещества, в частности параметров межатомного (или межмолекулярного) взаимодействия, параметров образования вакансий и самодиффузии в кристаллах. Излагаются современные методы расчета, а т акже оригинальные аналитические методики, разработанные автором. Впервые все параметры активационных процессов изучены, начиная от Т = 0 К и заканчивая температурой перехода в жидкую фазу. Параметры как потенциала взаимодействия, так и активационных процессов рассчитаны для всех элементов Периодической таблицы, ряда молекулярных квантовых криокристаллов, фуллеритов с различной массой фуллерена и бинарных кристаллов, Оценено изменение активационных параметров при вариации изотопного состава кристалла. Впервые эволюция параметров активационных процессов изучена как при уменьшении размера, так и при деформации формы нанокристаллов с различной структурой. Для научных работников, специализирующихся в области теплофизики и материаловедения.

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 исследуются условия возникновения и особенности проявления согласованного движения большого количества атомов вблизи свободной поверхности нагруженного кристалла. Отмечаются особенности инициации согласованного коллективного движения частиц как элемента самоорганизации при зарождении и развитии пластической деформации. Описываются результаты моделирования трехмерного кристаллита меди со свободными границами, подвергнутого одноосному сжатию, и исследуются процессы, протекающие в таком кристаллите как на активной стадии нагружения, так и на начальном этапе процесса релаксации. Показано, что развитие пластической деформации проявляется в виде распространения полос локализации атомных смещений от свободной поверхности вглубь материала. В работе отмечается, что аккомодационные процессы в материале в условиях высокоскоростного нагружения являются инерционными и продолжают активно протекать после снятия внешнего воздействия. Кроме того, показано, что в нагруженном материале могут возникать динамические периодически формирующиеся согласованные коллективные смещения атомов вихреобразного характера, выступающие в роли своеобразных сбросов напряжений в упругой области. Проанализированы результаты моделирования нелинейного поведения материалов, содержащих систему микропор в условиях высокоскоростного нагружения. Обнаружено, что при определенной ориентации микропор внутри кристаллита может реализоваться согласованное «вихреподобное» движение ансамбля атомов. Показано, что внутренние поверхности, наряду с внешними, являются концентраторами зарождения полос локализации атомных смещений.

Учебное руководство создано известными специалистами из Кембриджского университета. Подробно рассмотрены механические свойства и микроструктуры металлов и сплавов, полимеров, керамик и композитов. Особое внимание уделено характеристикам прочности для различных режимов нагружения, коррозионной стойкости и процессам обработки. На многочисленных примерах дается обоснование инженерных расчетов, необходимых для конструирования в самом широком спектре применений. Учебник является незаменимым источником для инженеров-проектировщиков в промышленности и строительстве по всем направлениям материаловедения и не имеет аналогов в мировой литературе. Для студентов и преподавателей материаловедческих, машиностроительных и общетехнических факультетов, разработчиков, конструкторов и технологов.

Предложен алгоритм численного решения задачи неизотермической диффузии, учитывающий различие пространственных и временных масштабов процессов переноса в твердой фазе. Применимость алгоритма продемонстрирована на примере задачи остывания нанесенного покрытия, содержащего легирующие элементы. Показано, что учет зависимости теплопроводности от температуры сказывается на перераспределении элементов в диффузионной зоне. Модель имеет приложение к процессам поверхностной обработки материалов с использованием высокоэнергетических источников.

На основе представлений физической мезомеханики исследовано в контролируемых условиях (высокочистые поликристаллы, одинаковая величина зерна) влияние малорастворимых добавок разного типа на ползучесть свинца и ее отдельные составляющие. Показано, что все использованные добавки понижают скорость ползучести в данных условиях. Влияние легирования поликристалла малорастворимыми добавками на скорость установившейся ползучести осуществляется через зернограничное проскальзывание и формирование приграничных полос локализованной деформации.

В зернах динамической рекристаллизации никеля в процессе деформации кручением на наковальнях Бриджмена обнаружено явление локализации деформации в области упругих дисторсий, приводящее к формированию нанополос переориентации со значениями упругой кривизны кристаллической решетки в сотни градусов на мкм. Показано, что образование этих нанополос осуществляется движением нанодиполей частичных дисклинаций — зон заторможенных упругих сдвигов и поворотов, характерной особенностью которых являются более высокие, по сравнению с окружением, локальные внутренние напряжения и их градиенты.

Strain localization in the region of elastic distortions is revealed in nickel dynamic recrystallization grains during torsion in Bridgman anvils, which leads to the formation of reorientation nanobands with the elastic lattice curvature equal to hundreds of degrees per micron. It is shown that the nanobands are formed by the motion of partial disclination nanodipoles, i.e., zones of constrained elastic shear and rotations distinguished by extremely high local internal stress gradients.

Исследована кинетика инициированной диффузией рекристаллизации и ее влияние на сопротивление ползучести сплава на основе легированного Ni3Al.

Исследованы закономерности высокотемпературной ползучести и эволюции субструктуры в условиях свободного отжига и при ползучести дисперсно-упрочненного сплава Ni-3 об.% HfO2 с предварительно сформированной полигонизованной субструктурой. Проведен анализ структурных превращений на различных структурных уровнях и механизма высокотемпературной ползучести исследованного сплава.

Исследована ползучесть поликристаллического железа в широком интервале скоростей деформации при наличии зернограничных диффузионных потоков никеля. Показано, что наличие потоков приводит к появлению ступенчатой сигмоидальной зависимости скорости установившейся ползучести от приложенного напряжения с показателем скоростной чувствительности m › 0,3. Анализируется взаимосвязь режима зернограничной диффузии величины показателя m.

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.

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.

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.

Подробно рассмотрена проблема размещения атомов третьих элементов в сверхструктуре L1 фазы Ni3Al. Предложен оригинальный метод расчета размещения атомов третьих элементов в интерметаллиде Ni3Al по правилу Вегарда. Новый метод расчета атомов третьих элементов апробирован на большом количестве переходных и поливалентных элементов.

Предложена модель диффузии легирующего элемента в поверхностном слое материала, активированного ионно-лучевым воздействием. В рамках модели процесс характеризуется временем и глубиной активации. Продемонстрировано принципиальное значение учета активации поверхностного слоя для описания формирования диффузионной зоны. Теоретически показана возможность экспериментального определения параметров модели.

Представлены результаты экспериментального исследования микроструктуры и фазового состава поверхностных легированных слоев никелевой мишени, сформированных в режиме высокоинтенсивной имплантации ионов алюминия на вакуумно-дуговом источнике ускоренных ионов "Радуга-5". Установлено формирование наноразмерных интерметаллидных фаз Ni3Al и NiAl и твердого раствора переменного состава системы Ni-Al.

Рассмотрены закономерности и физические механизмы зернограничных диффузионно-контролируемых процессов, определяющих стабильность микроструктуры и сопротивление высокотемпературной пластической деформации поликристаллов металлов, сплавов и интерметаллических соединений. Проанализирована роль активации границ зерен зернограничными диффузионными потоками из внешних или внутренних источников в процессах рекристаллизации, зернограничного проскальзывания, ползучести и сверхпластической деформации модельных и промышленных жаропрочных сплавов на основе тугоплавких металлов, никеля и его интерметаллических соединений с алюминием. Книга рассчитана на специалистов в области физического и прикладного металловедения.

На основе анализа собственных результатов и литературных данных показано, что образование твидовой структуры, наблюдаемой на поверхности кристаллов алюминия при циклическом растяжении, происходит в условиях нестабильности Гринфельда при напряжениях выше предела текучести. Экспериментально измеренный период твидовой структуры и высота шаровидных выступов удовлетворительно согласуются с теоретическими оценками на основе модели Гринфельда в линейном приближении. Изменение формы профиля поперечных сечений твидовой структуры с ростом числа циклов нагружения качественно согласуется с результатами численного моделирования эволюции нестабильности Гринфельда в нелинейном приближении. Принимается во внимание, что при циклическом растяжении кристаллов алюминия в приповерхностных слоях под окисной пленкой формируется высокодефектная сдвигонеустойчивая область, которая может рассматриваться как дефектная фаза, находящаяся в равновесии с кристаллической фазой алюминия. В этой дефектной области в условиях периодической модуляции плотности упругой энергии возникает градиент химического потенциала, в поле которого происходит перераспределение материала и образование твидовой структуры, что обеспечивает дополнительный и альтернативный дислокационному скольжению канал снижения упругой энергии нагруженного кристалла. Обсуждаются особенности структуры кристаллов алюминия, обеспечивающие возникновение нестабильности Гринфельда при циклическом растяжении, и возможные механизмы массопереноса в приповерхностных слоях. Сделан вывод, что нестабильность Гринфельда является прямым свидетельством особой роли поверхностного слоя как самостоятельного структурного уровня пластической деформации и разрушения материалов, которая обосновывается в рамках подхода физической мезомеханики.

На основе численных расчетов анализируются особенности поля напряжений, создаваемых краем полосы пластического сдвига вблизи поверхности. В качестве модели полосы сдвига выбиралось плоское дислокационное скопление конечной длины. Показано, что при подходе края полосы к поверхности интенсивность напряжений в его окрестности заметно возрастает за счет эффектов сил "изображения". Обсуждена специфика распространения полос локализованного сдвига в материалах с покрытием.

В сравнительном эксперименте по генерации второй гармоники мини-ТЕА СО2-лазера в идентичных условиях в нелинейных кристаллах ZnGeP2, AgGaSe2 и GaSeпоказаны явные преимущества первых. При эффективность 6% средняя мощность второй гармоники достигла 0,22 Вт. Из полученных данных следует, что фундаментальные физические свойства слоистых кристаллов GaSe замаскированы низкой спайностью слоев. Легирование индием кристаллов GaSe радикально улучшает спайность и выводит их в потенциально самые привлекательные кристаллы-удвоители частоты СО2-лазеров.

Исследованы оптические свойства новых перспективных нелинейных кристаллов смешанного типа AgGaxIn1-xSe2. Определены коэффициенты поглощения и показатели преломления в ИК-диапазоне (0,8 - 18 мкм) и субмиллиметровой области спектра (400-2000 мкм). Впервые установлены коэффициенты дисперсионных уравнений Сельмейера рассматриваемых кристаллов при различном содержании индия. Рассчитаны и построены диаграммы фазового синхронизма для трехчастотных взаимодействий. Исследовано влияние процентного состава индия на реализацию условий синхронизма в конкретных схемах: параметрическая генерация света с накачкой излучением YAG:Ho3+ и YAG:Er3+ лазеров, генерация второй гармоники СО2-лазера и генерация субмиллиметрового излучения вычитанием частот двух СО2-лазеров.

Представлена математическая модель формирования и эволюции зеренной структуры интерметаллического соединения Ni3Al при высокотемпературном синтезе из порошковой смеси чистых элементов в режиме теплового взрыва под давлением и при экструзии продукта высокотемпературного синтеза.

Методом высокотемпературного синтеза под давлением с последующей экструзией продукта синтеза получены интерметаллид Ni3Al и сплавы на его основе, легированные бором и хромом. Показано, что интенсивная пластическая деформация интерметаллических сплавов в процессе экструзии на стадии охлаждения приводит к формированию неоднородной зеренной структуры, состоящей из зерен размером 10-20 мкм, микрокристаллов размером 0,5-2 мкм и зерен с двойниками.

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.

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.

Фазовый состав, тонкая структура интерметаллических покрытий исследована методами электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа. Показано, что интерметаллид Ni3Al является основной фазой покрытия для всех исследованных образцов. Ионная имплантация покрытия ионами алюминия и бора приводит к изменению параметра решетки, параметра дальнего атомного порядка, изменению внутренних упругих напряжений, размеров зерен и типа дислокационной структуры.