Приведены результаты исследований физико-математических и триботехнических свойств композиционных микро- и макрогетерогенных материалов матрично-наполненного типа, содержащих в качестве твердой фазы карбид титана. Показано, что создание многоуровневой демпфирующей структуры позволяет регулировать процесс изнашивания материала, заданием наиболее выгодного для данных условий трения структурного уровня деформирования поверхностного слоя.

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.

На базе представлений физической мезомеханики исследована связь эффектов электрической поляризации при сжатии монокристаллов LiF с масштабными уровнями локализации пластического течения. Существует четкая корреляция между скоростью изменения электрических сигналов и стадиями развития локализованных сдвигов в объеме монокристалла. Масштабные уровни локализации пластической деформации ионного кристалла при сжатии качественно подобны таковым при растяжении металлических материалов. Обсуждается возможность использования выявленного эффекта для предсказания землетрясений.

Развиты основные положения многоуровневого описания деформируемого твердого тела как нелинейной иерархически организованной системы. Первичное пластическое течение развивается в 2D планарной подсистеме (поверхностные слои и все внутренние границы раздела), создавая многоуровневые эффекты кривизны решетки 3D кристаллической подсистемы. Эти эффекты лежат в основе генерации деформационных дефектов всех типов на интерфейсах 2D- и ЗD-подсистем, возникновения бифуркационных межузельных структурных состояний, которые обусловливают вихревую пластическую дисторсию, развитие кривизны нелинейных потоков структурных трансформаций на мезомасштабных уровнях и определяют нелинейную механику разрушения как структурно-фазового распада твердого тела в зонах закритической кривизны его кристаллической структуры. Приведены основы нелинейной теории представленного многоуровневого описания.

The paper presents basic propositions for multiscale description of a deformed solid as a hierarchically organized nonlinear system consisting of a 3D crystal subsystem and a 2D planar subsystem (surface layers and all internal interfaces). The 2D planar subsystem is a source of primary plastic flows which create multiscale effects of lattice curvature in the 3D crystal subsystem. These effects underlie the generation of all types of strain-induced defects in a solid at the interfaces of its 2D and 3D subsystems and the formation of bifiircational interstitial structural states responsible for v ortical plastic distortion, curvature of nonlinear flows of mesoscale structural transformations, and nonlinear fracture as structural phase decomposition in supercritical lattice curvature zones. Basic aspects of the multiscale nonlinear theory are considered.

В работе на основании измерения механических характеристик, а также данных оптической и электронной микроскопии исследовали особенности деформации и разрушения при растяжении образцов стали 25Х1М1Ф в исходном состоянии и после термоциклической наработки. Показано, что деформация образцов данной стали в исходном состоянии характеризуется крайне малым деформационным упрочнением и существенным удлинением на этапе формирования шейки. После термоциклической наработки напряжение течения снижается, пластичность заметно возрастает, деформационное упрочнение становится более выраженным. Полученные результаты обсуждаются с использованием данных металлографии. Данные фрактографических исследований свидетельствуют о том, что характер разрушения определяется закономерностями зарождения микроспор, их слиянием и образованием центральной макротрещины отрыва. Согласно экспериментальным результатам образец разрушается по смешанному механизму, включающему локальный сдвиг и отрыв. При этом значительное влияние на характер разрушения оказывают вторичные микротрещины и интенсивная внутризеренная пластическая деформация. На основании полученных результатов предлагается схема структурных уровней деформации и разрушения исследованных образцов при статическом растяжении.

Работа посвящена исследованию влияния ультразвукового поверхностного пластического деформирования сварных соединений стали ВКС-12 на их структурно-фазовое состояние и механические характеристики. Показано, что материал приповерхностного слоя толщиной около 40 мкм после обработки приобретает трехслойное строение с образованием наноструктуры на глубине до 3...4 мкм. На большей глубине регистрируются субзеренная структура с большеугловой разориентацией субзерен и фрагментированная структура. Установлена связь наноструктурирования поверхностного слоя с повышением циклической долговечности сварных соединений.

Localized plastic strain evolution stages in notched aluminum AA 2024 alloy tension specimens have been investigated. Integral calculations of the microscale strain have employed acoustic emission data. The mesoscale strain has been studied by calculating the normalized integral equivalent shear strain from television-optical data. To gain insight into the special features of the macroscale strain, the time derivative of the applied loading has been examined. Early in the loading process, acoustic emission is shown to respond best to deformation and fracture. This makes it possible to reveal a transition from stage I to stage II in the evolution of localized strain where the mesoscale level comes to dominate over the macroscale one. At high strains, the digital image correlation method provides a consistent characterization of the predominance of the mesoscale level. The results of the investigations under review point to the fact that an analysis of localized plastic strain stages is an effective means of interpreting the data on the evolution of plastic flow at different scale levels.

Методом активной деформации растяжением при 20-1300С проведено исследование влияния режимов химико-термической обработки (ХТО) на температурную зависимость характеристик кратковременной прочности и пластичности внутреннеокисленных сплавов V-0,45Zr-0,2C и V-5Mo-0,9Zr-0,3C (ат.%). Изучено влияние границ зерен на особенности пластической деформации и разрушение этих сплавов при разных температурах. Показано, что высокая эффективность дисперсного упрочнения внутреннеокисленных сплавов сверхмелкими частицами оксидов ZrO2, формирование в процессе внутреннего окисления структурных состояний с совместным дисперсным и субструктурным упрочнением и высокая термическая стабильность этих состояний способны обеспечить (1,5-2)-кратное повышение кратковременной (в том числе высокотемпературной) прочности ванадиевых сплавов при сохранении высокого запаса пластичности.

Методами оптической металлографии, растровой электронной микроскопии, микрорентгеноспектрального анализа и рентгеновской дифрактометрии исследована микроструктура и фазовый состав интерметаллического соединения Ni3Al, полученного высокотемпературным синтезом под давлением. Показано, что структура интерметаллида состоит из дендритных зерен и междендритных прослоек. Пластическая деформация продукта синтеза в процессе формирования интерметаллида приводит к росту анизотропных дендритных зерне и появлению областей с модулированной структурой в междендритных прослойках. Наблюдаемые структурные изменения сопровождаются повышением предела текучести и уменьшением пластичности интерметаллида.

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

С позиций физической мезомеханики исследованы механизмы пластической деформации и механические свойства частично-кристаллического полиэтилена. Показано, что пластическая деформация с самого начала происходит на мезо-уровне.. Разрушению предшествует фрагментация материала. Наблюдаемая стадийность процесса пластической деформации полиэтилена качественно подобна стадийности этого процесса для металлических материалов. Влияние облучения на механические свойства полиэтилена объясняется измельчением мезосубструктуры, формирующейся при пластической деформации.

Были исследованы структура и механические свойства спеченной алюминиевой бронзы после обработки методом интенсивной пластической деформации. Было применена осадка с переменой оси деформирования. Показано, что пористость и размеры зерен уменьшились после деформации, а твердость возросла.????.

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.

В работе изучены структура и механические свойства низкоуглеродистой стали 10Г2ФТ (Fe -1.12Mn- 0.08V- 0.07Ti- 0.1C, мас. %) после интенсивной пластической деформации и последующих высокотемпературных отжигов. Сталь в феррито-перлитном состоянии подвергали равноканальному угловому прессованию при Т = 200 °C (режим Вc, 4 прохода) и кручению под квазигидростатическим давлением при комнатной температуре (5 оборотов при давлении 6 ГПа). Показано, что интенсивная пластическая деформация по выбранным режимам приводит к формированию фрагментированной структуры со средним размером элементов 260 нм после равноканального углового прессования и 90 нм после кручения под давлением. Квазигидростатическое давление приводит к росту микротвердости до 6.4 ГПа, что существенным образом превышает значения микротвердости в исходном состоянии и после равноканального углового прессования (1.6 и 2.9 ГПa соответственно). Сформированные структуры обладают высокой термической стабильностью: до 500 °C после равноканального углового прессования и до 400 °C после кручения под давлением. Обсуждаются вклады дисперсионного и субструктурного упрочнения в формирование высоких прочностных свойств стали 10Г2ФТ при интенсивной пластической деформации и в стабилизацию полученных субмикрокристаллической и нанокристаллической структур до высоких температур отжига.

Изучены механический свойства при растяжении, организация пластического течения и разрушение в образцах с надрезами типа Менаже субмикрокристаллического (СМК) титана. Исследованы два структурных состояния СМК титана, изготовленного равноканальным угловым прессованием (РКУП), отличающиеся размерами областей когерентного рассеяния. уровнем внутренних микронапряжений и текстурой. Выявлена конфигурация зон пластической деформации вблизи концентраторов напряжений и исследовано их развитие с ростом степени макродеформации. Установлено, что разрушение начинается в областях с максимальным значением локальной интенсивности деформации. Изучена стадийность и микромеханизмы процесса разрушения. Обнаружен квазихрупкий характер разрушения СМК титана в более высокопрочном состоянии (тип II).

Методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) порошковой смеси состава (Ni+24ат.%Al+0.5ат.%В) при совмещении с пластической деформацией продукта синтеза получен пластичный и прочный сплав. Методами рентгеновской дифрактомерии, оптической металлографии, растровой электронной микроскопии исследована микроструктура сплава. Показано, что увеличение пластичности сплава обусловлено образованием полифазной и разнообразной по типу микроструктуры - крупнокристаллической эвтектики (y+y) вперемежку с нанокристаллической структурой смеси фаз: y, NiAl, Al3Ni, Ni2Al3.

Приведены результаты изучения потребности населения в России при наличии дефектов зубочелюстной системы в ортопедической помощи на зубных имплантатах. Показано, что потребность населения в ортопедической помощи крайне высока во всех возрастных группах. Описана технология получения заготовок титана ВТ1-0 с объемной наноструктурой, обеспечивающей высокие механические свойства. Выполнено сравнение механических свойств наноструктурного титана со свойствами крупнокристаллического аналога и титановых сплавов медицинского назначения. Описаны новые результаты разработки новых конструкций дентальных винтовых внутрикостных имплантатов из высокопрочного наноструктурного титана с резорбируемым кальций-фосфатным покрытием, обеспечивающим высокую степень остеоинтеграции имплантата с костной тканью.

Методом просвечивающей электронной микроскопии проведено исследование особенностей структурных состояний, формирующихся в сплава V-4%Ti-4%Cr в зависимости от режимов его термомеханической обработки с применением метода многократного всестороннего прессования. Показано, что использование этого метода позволяет модифицировать гетерофазную и зеренную (субзеренную) структуру сплава и существенно повысить характеристики его прочности и пластичности.

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.

Проведены исследования влияния интенсивной пластической деформации методом всестороннего прессования и последующих термообработок на структуру и механические свойства титанового сплава ПТ-3В. Показано, что формирование субмикрокристаллической структуры приводит к существенному повышению механических свойств указанного сплава при комнатной температуре и сдвигу температурного интервала реализации сверхпластичного течения в область более низких температур на 250-300 К. Установлено также, что низкотемпературный отжиг сплава ПТ-3В в субмикрокристаллическом состоянии приводит к дополнительному увеличению его пределов прочности и текучести при существенном (почти в 2 раза) увеличении деформации до разрушения.

Проведены экспериментальные исследования перидотитов с различным средним размером зерна. Показано, что в крупнокристаллическом перидотите происходит множественное "объемное" разрушение по всем составляющим крупным фрагментам. В мелкокристаллическом образце разрушение локализовано в центре и развивается в направлении близком к оси сжатия, лишь в верхней и нижней частях зона локализованной деформации раздваивается и несколько отклоняется по направлениям близким к максимальным касательным напряжениям. Отношение поперечной и осевой деформаций для крупнокристаллического и мелкокристаллического образцов к началу разрушения составило 1.36 и 0.76 соответственно. Показано, что размеры структурных элементов в материале прямо определяют масштабный уровень формирования трещин, а следовательно, и уровень разрушения породы.

Исследовано влияние дополнительных отжигов на структуру и механические свойства титанового сплава ВТ6 в субмикрокристаллическом состоянии. Показано, что отжиг при 833 К 20 мин не оказывает существенного влияния на механические свойства сплава при комнатной температуре. В тоже время указанный отжиг приводит к существенному ухудшению сверхпластичных свойств сплава. Отжиг при 873 К 5 мин приводит к резкому падению прочностных свойств сплава при комнатной температуре (примерно на 20 %). При этом сверхпластичные свойства сплава после данного отжига оказываются самыми высокими среди рассмотренных в работе состояний. Сделано предположение, что определяющую роль в развитии сверхпластического течения сплава ВТ6 после всестороннего прессования и последующих отжигов играет состояние границ зерен.

Исследовали влияние многоходовой прокатки, комбинированной с обратимым легированием водородом на структуру, фазовый состав и механические свойства метастабильной аустенитной стали 08X18Н9Т. Пластическая деформация приводит к фрагментации структуры и фазовым превращениям, что сопровождается повышением прочностных и снижением пластических свойств стали по сравнению с исходным состоянием. Легирование водородом вызывает увеличение объемной доли альфа'-фазы в структуре стали 08X18Н9Т при прокатке, способствует росту пластичности, но слабо влияет на прочностные свойства по сравнению с состоянием после прокатки без наводороживания.

Методом интенсивной пластической деформации, реализованной по схеме многократного равноканального углового прессования, получены образцы алюминий-магниевого сплава 1560 с ультрамелкозернистой структурой. Проведены исследования влияния изменения структуры на физико-механические свойства обработанного материала и характер разрушения образцов. Испытания на растяжение показали повышение условного предела текучести и прочности при уменьшении предельных деформаций. Полученные образцы имеют повышенные значения микротвердости по сравнению с исходными. Установлено, что последний цикл прессования определяет ориентацию структуры и макроскопических полос сдвига, возникающих под углом продольной оси образца при прохождении через сопряжения каналов. Это влияет на механические свойства материала и характер разрушения. Контроль качества полученных образцов методом ультразвуковой дефектоскопии и рентгеновской томографии подтвердил отсутствие макро- и микродефектов при соблюдении подобранного оптимального режима обработки.

Plastic flow localization in commercially pure titanium (VT1-0 according to the Russian classification) with the surface modified by low-energy high current electron beams has been numerically studied. The structure and mechanical properties of the modified surface layer and titanium substrate correspond to the experimentally observed ones and are taken into account explicitly as initial data of a dynamic boundary value problem. The tension of titanium structures with a modified surface layer is simulated by the finite difference method in a plane strain formulation. The dependence of the plastic strain localization parameters on the mechanical properties of structural elements in the titanium substrate has been determined.Численно исследованы процессы локализации пластического течения в технически чистом титане ВТ1-0, поверхностно модифицированном низкоэнергетическими сильноточными электронными пучками. Структура и механические свойства модифицированного поверхностного слоя и титановой подложки соответствуют экспериментально наблюдаемым и учитываются в расчетах явно в качестве начальных данных краевой динамической задачи. Растяжение структур титана с модифицированным поверхностным слоем моделируется методом конечных разностей в постановке плоской деформации. Установлена зависимость характеристик локализации пластической деформации от механических свойств элементов структуры титановой подложки.

Проведен анализ стадийности локализованной пластической деформации на различных масштабных уровнях при растяжении образцов с надрезами. Интегральный анализ развития деформации на микромасштабном уровне проводили по данным регистрации акустической эмиссии. Анализ мезоскопических деформаций выполняли путем расчета интегрального нормированного значения интенсивности деформации сдвига по данным оптико-телевизионной регистрации. Для оценки закономерностей развития деформации на макромасштабном уровне анализировали производную величины приложенной нагрузки по времени. Показано, что на начальных этапах нагружения метод акустической эмиссии оказывается наиболее чувствительным к деформационным процессам и разрушению, что позволяет идентифицировать переход от первой ко второй стадии деформации (ведущей роли от микро- к мезомасштабному уровню). При больших степенях деформации метод корреляции цифровых изображений более четко характеризует переход ведущей роли от мезо- к макроскопическому масштабу развития деформации. Полученные данные свидетельствуют о том, что анализ процессов локализованной пластической деформации в терминах стадийности представляется достаточно эффективным способом интерпретации данных о развитии деформации на различных масштабных уровнях.

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

При растяжении в широкой области температур поликристаллов свинцовых сплавов, существенно различающихся состоянием объемов и границ зерен, показано, что на характер зависимости сопротивления деформированию от величины зерна значительное влияние оказывает развитие поворотных мод деформации на различных масштабных уровнях. Полученный результат необходимо учитывать при интерпретации параметров уравнения Холла-Петча в представлениях многоуровневого подхода физической мезомеханики.

Представлены основные положения физической мезомеханики структурно-неоднородных сред, которая развивается на базе совместных подходов неравновесной термодинамики, калибровочной теории дефектов и механики сред со структурой. Многоуровневый подход рассматривает развитие пластической деформации во всей иерархии структурно-масштабных уровней: нано-, микро-, мезо- и макро. Разрушение представляется как завершающая стадия возрастная неравновесности деформируемого твердого тела, когда в некоторой зоне неравновесный термодинамический потенциал Гиббса становится равным нулю и кристалл испытывает структурно-фазовый распад.

Рассмотрены масштабные уровни неупругой мартенситной деформации поликристаллов при термоупругом мартенситном превращении под нагрузкой. На примере сплавов Ti(Ni-Cu-Fe) с В2-структурой исследована роль микро- и мезомасштабных уровней в неупругой мартенситной деформации при охлаждении поликристаллов под нагрузкой и нагружении в разных исходных структурных состояниях.

Дана современная трактовка физического и технического смысла важнейших механических свойств. Рассмотрены методы проведения механических испытаний. С использованием теории дефектов кристаллической решетки проанализированы процессы деформации и разрушения при различных температурах и условиях приложения нагрузки. Изложены закономерности влияния состава и структуры на механические свойства металлов и сплавов. Для студентов вузов, обучающихся по специальности "Металловедение. оборудование и технология термической обработки металлов". Может быть полезен студентам других металлургических специальностей.

The mechanisms of plastic strain observed at high degrees of alternating bending of thin aluminum foils glued to elastically strained substrates have been investigated. As extrusion and intrusion develop on the surface of the aluminum foils, multiscale fragmentation of the structure is found to take place in the bulk of the materials to form nanostructured phase boundaries between subgrains. The width of the phase boundaries varies between 200 and 300 nm, with the size of the structure elements within the subgrain boundaries being 30 -50 nm. Formation of the nanostructured phase boundaries between nonequilibrium subgrains is regarded to be the fragmentation mechanism operative at the submicrometer scale level in the foils subjected to bending-torsion at very high degrees of plastic strain.

Настоящий том посвящен изложению физических свойств кристаллов на основе учения о кристаллофизике. Вначале вводится тензорный аппарат кристаллофизики и рассматриваются общие вопросы симметрии физических свойств кристаллов. Далее рассматриваются механические (упругие свойства, пластическая деформация, механическое двойникование, разрушение), электрические (с основном сегнетоэлектрические), магнитные, полупроводниковые и оптические свойства кристаллов, Изложены явления переноса в процессах и термомагнитные явления в кристаллах. Описаны физические свойства жидких кристаллов. Книга рассчитана на научных сотрудников и инженеров, работающих в области исследования, применения и выращивания кристаллов, а также преподавателей, аспирантов и студентов старших курсов высших учебных заведений.