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°.

Проведено исследование влияния отжигов, в том числе и в условиях диффузии примеси из внешней среды (покрытия) по границам зерен, на эволюцию структуры зернограничного ансамбля субмикрокристаллического молибдена, полученного методом интенсивной пластической деформации (ИПД). Показана зависимость распределения границ зерен по разориентировкам от величины деформации, задаваемой в процессе ИПД. Установлено, что зернограничные диффузионные потоки атомов никеля с поверхности приводят к увеличению в зернограничном ансамбле субмикрокристаллического молибдена доли границ зерен специального типа. Предполагается, что это связано с зарождением в результате воздействия зернограничных диффузионных потоков никеля новых зерен.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

Методами просвечивающей электронной микроскопии проведены исследования влияния легирования водородом на рост и распределение по размерам элементов зеренно-субзеренной субмикрокристаллической структуры сплава Ti-6Al-4V в интервале температур 673-973 К. Изучена кинетика и определены значения энергии активации роста элементов зеренно-субзеренной структуры сплава при свободном отжиге и в условиях растяжения. Установлено активизирующее влияние деформации и диффузии водорода на миграцию границ зерен и рост элементов зеренно-субзеренной субмикрокристаллической структуры.

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 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.

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.

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.

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.

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 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.

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.

В монографии представлены результаты исследований по одному из основных научных направлений "Фундаментальные закономерности, физико-математические и структурные модели синтеза и функциональные свойства нанокристаллических частиц, материалов и покрытий" Научно-образовательного центра Томского госуниверситета "Физика и химия высокоэнергетических систем", организованного по гранту Фонда гражданских исследований и развития (CRDF) российско-американской программы "Фундаментальные исследования и высшее образование" (BRHE). Исследования посвящены проблемам синтеза наночастиц в конденсированных средах, компьютерному моделированию формирования биметаллических нанотрубок и их поведения в условиях внешних воздействий, закономерностей деформации и разрушения наноматериалов при динамическом нагружении, экспериментальным исследованиям механических свойств нанокристаллических металлических и керамических материалов при различных условиях нагружения. Для специалистов в области создания нанотехнологий и наноматериалов конструкционного назначения, а также студентов и аспирантов соответствующих специальностей.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Представлен обзор работ. выполненных в последние годы в физической мезомеханике по системному подходу к описанию деформируемого твердого тела как многоуровневой системы. на основе теоретических и экспериментальных исследований обосновывается тезис, что поверхностные слои и внутренние границы раздела в нагруженном материале являются важными функциональными подсистемами. Развиваемый подход является основой конструирования материалов новых поколений и методов их упрочнения в современном материаловедении.

Приведены результаты комплексных экспериментальных исследований и численного моделирования процессов пластической деформации материалов с покрытиями или поверхностным упрочнением на мезо- и макромасштабном уровнях. Показано влияние процессов, развивающихся на границе раздела покрытие - подложка, на развитие пластической деформации всей композиции. На основании полученных данных даются рекомендации по созданию поверхностно-упрочненных материалов, обладающих высокими эксплуатационными свойствами.

Методами дифракции обратнорассеянных электронов проведено исследование изменения микроструктуры приповерхностного слоя никелида титана после импульсных воздействий на поверхность образцов сплава потоками ионов кремния средних энергий. Показано, что после ионно-пучкового облучения поверхности образцов наблюдается изменение и фрагментация структуры приповерхностного слоя на глубину 5-15 мкм, меньшую среднего размера исходного зерна исследуемого сплава. Установлено, что характерными особенностями слоя с фрагментированной структурой являются присутствие в нем мартенситной фазы В19' и высокая концентрация межфазных и внутрифазовых границ раздела, линейные размеры фрагментов превышают 1 мкм, измельчение структуры слоя под облученной поверхностью неоднородно и зависит от кристаллографической ориентации исходного зерна. Высказано предположение, что одной из причин интенсивной фрагментации отдельных зерен исходной фазы В2 после ионно-пучковой обработки является близость ориентации основных систем скольжения направлению воздействия ионными пучками. Возможно, это привело к более раннему, по сравнению с остальными зернами, запуску процесса пластической деформации таких зерен и, как результат, частичной фрагментации их структуры.

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

Проведено 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.

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.

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.