Автор публикуемой статьи формулирует принципы управления механическими свойствами материалов путем целенаправленного формирования многоуровневых (муультимодальных) структур. Возможности предложенного подхода иллюстрируются на примерах разработки материалов с высокими эксплуатационными свойствами, а также решения различных междисциплинарных проблем.

Изучено взаимодействие зон макролокализованной деформации, определяющее разный характер пластического течения и разрушения при растяжении плоских образцов стали 65Х13 с азотированными лицевыми или боковыми гранями. Зоны локализованной деформации, инициированные трещинами в упрочненом поверхностном слое, количественно аттестованы величиной интенсивности скорости деформации. Изменение формы зон оценивали по изменению конфигураций линий равного уровня интенсивности скорости деформации и по металлографическим картинам деформационного рельефа. Определен механизм влияния экстремальных величин интенсивности деформации на макроориентированность поверхности разрушения азотированных образцов и сформулирован критерий предразрушения материалов с упрочненным поверхностным слоем.

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.

В рамках известной задачи отражения упругих волн при падении на свободную поверхность и жесткую границу раздела получены аналитические выражения, определяющие коэффициенты отражения. Найденные коэффициенты отражения позволяют проанализировать зависимости различных компонент деформации и поворота при отражении упругих волн от свободной поверхности и жесткой границы раздела в случае идеального контакта и возможного проскальзывания от угла падения волны и упругих параметров среды. Рассмотрены особенности деформаций упругих сред на исследуемых границах раздела для падающих продольных и поперечных волн.

Исследовано влияние величины шага сетки векторного поля на оценку деформации в методе корреляции цифровых изображений для случая неоднородной деформации нагруженных твердых тел. Влияние шага сетки при оценке деформации изучали в зависимости от величины перемещений, а также наличия и размера области разрыва в поле векторов перемещений (деформаций). Предложен алгоритм автоматического выбора шага сетки векторного поля, обеспечивающий уменьшение ошибки оценки деформации по сравнению с наилучшим результатом для случая равномерного шага сетки.

Исследована взаимосвязь регистрируемых циклических вольтамперных кривых и свойств оксидно-керамических покрытий, формируемых в процессе микроплазменного оксидирования. Выявлено, что аналитический сигнал активной составляющей тока на вольтамперной кривой является показателем толщины и пористости формируемого покрытия. Показано, что по форме регистрируемых вольтамперных характеристик можно прогнозировать свойства получаемых оксидно-керамических покрытий и управлять процессом микроплазменной обработки.

Обнаружена кордовая и твидовая структуры на поверхности фольг высокочистых поликристаллов алюминия, жестко закрепленных на образцах алюминиевого сплава при усталостных испытаниях при комнатной температуре.

В работе на примере алюминиевых сплавов, обладающих начальной анизотропией упругих и пластических свойств, проведено численное моделирование ударного нагружения анизотропной преграды с использованием различных условий пластичности. Упругопластическое деформирование анизотропной преграды моделируется в трехмерной постановке методом конечных элементов на основе теории течения. Показано, что с увеличением скорости нагружения с 300 до 600 м/с влияние выбора условия пластичности на результаты расчетов напряженно-деформированного состояния анизотропной преграды возрастает.

В работе проведено исследование влияния учета кинематического упрочнения на напряженно-деформированное состояние преграды при ее ударном нагружении. Упругопластическое деформирование анизотропной преграды моделируется в трехмерной постановке в рамках механики сплошной среды на основе теории течения. На примере транстропного алюминиевого сплава Д16Т численно моделируется поведение упрочняющегося начально анизотропного материала преграды методом конечных элементов. Показаны характер и особенности распределения зон изменения пределов пластичности материала на растяжение и сжатие в преграде при ее ударном нагружении.

Методом квазидинамического прессования получен мезоструктурный композит — материал, представляющий собой матрицу-каркас из основы материала, заполненную включениями. Размер включений соизмерим с размером зерна основы материала. Основой мезоструктурного композита являлась медь или внутреннеокисленная медь в форме порошковой фракции, которая подвергалась механолегированию нанокомпозитом. Нанокомпозит представлял собой смесь 60 % меди и 40 % наноразмерных частиц TiB2. Метод изготовления материала, характеризуемый большими деформациями, определил самоорганизацию микроструктуры при сохранении размера упрочняющих частиц TiB2 в сформировавшейся структуре включений. Механические свойства мезоструктурного композита существенно превосходят свойства основы композита. Показано также, что механические свойства сплавов с основой из внутреннеокисленной меди с 6–9 об. % наночастиц TiB2 близки свойствам сплава с основой из меди с 18 об. % наночастиц TiB2. Электросопротивление мезоструктурного композита с основой из внутреннеокисленной меди (6–9 об. % наночастиц TiB2) на 2–4 % выше электросопротивления внутреннеокисленной меди, а у сплава с основой из меди (18 об. % наночастиц TiB2) оно выше на 8 %.

Исследован процесс обработки микродуговым оксидированием (МДО) внутренней поверхности деталей из алюминиевых сплавов. Применение внутреннего электрода в МДО-процессе позволяет интенсифицировать процесс формирования покрытия по всей поверхности детали, а также влияет на морфологию и состав покрытия. Сделано предположение, что внутренний электрод может применяться в МДО как поставщик материала для формирования покрытия заданного состава.

Исследованы структура и механические свойства соединений, выполненных лазерной и точечной контактной сваркой. Установлено, что при лазерной сварке листов алюминиевого сплава образуется пористое соединение с пониженной пластичностью. Чтобы повысить надежность таких сварных швов, рекомендовано производить ультразвуковую ударную обработку. В процессе точечной контактной сварки деталей из циркониевых сплавов соединение получается неоднородным по структуре и по механическим свойствам. Чтобы улучшить его характеристики, предложен диффузионный отжиг.

Определена износостойкость горячепрессованных модельных металлических композитов на основе переработанной стали ШХ15 при трении в условиях скользящего электроконтакта. Показано, что композиты с фазовым составом медь+графит+сталь ШХ15 и медь+графит+титан+сталь ШХ15 не способны к износостойкому скользящему электроконтакту. Введение свинца или никеля в первичную горячепрессованную структуру вместо титана приводит к реализации относительно высоких износостойкости и электропроводности зоны трения.

Изучено влияние технологических параметров горячего прессования порошкового молибдена на его структуру и прочность. Показано, что в интервале температур рекристаллизации молибдена наблюдается активизация диффузных процессов, приводящая к интенсивному уплотнению прессовок и формированию мелкого зерна, сохраняющегося до температуры 1500 гр.Цельсия. Это позволяет получить на образцах молибдена высокие прочностные свойства.

Методом просвечивающей электронной микроскопии проведено исследование особенностей структурных состояний, формирующихся в сплаве 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.

Исследовано проявление неупругих эффектов (эффект памяти формы и сверхэластичность) в сплаве Ti50Ni47,3Fe2,7 (ат.%) с ультрамелкозернистой микроструктурой, полчуенной при РКУ-прессовании. Показано, что внешние напряжения способны инициировать формирование деформационного мартенсита В19 (моноклинная фаза). Результаты исследований показали, что ультрамелкозернистый сплав Ti50Ni47,3Fe2,7 (ат.%), не испытывающий в ненагруженном состоянии мартенситное превращение в фазе В19 при охлаждении до 77 К, обладает практически значимой величиной эффекта сверхэластичности при 296 К.

В настоящей работе проведены сравнительные исследования порошковых катодов с элементным составом титан+50 ат.% алюминия, полученных по различным технологически вариантам: а) холодное формование и последующее спекание; б) горячее прессование. Были проведены структурные исследования катодов с применением металлографического, рентгеноструктурного и микрорентгеноспектрального анализов, а также измерения микротвердости.

Получены первые результаты по разработке новых металлокермических материалов из диэлектриков и металлической связки при соотношении объемов компонентов в композитах 1:1. Проведены исследования поведения порошковых смесей при прессовании и спекании. Изучены микроструктуры композитов разных составов и зависимости их объемных изменений от температуры спекания.

Исследованы особенности формирования ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры в двойном сплаве на основе никелида титана при ступенчатом теплом (673-573 К) abs-прессовании. Установлено, что в результате прессования возникает микроструктура смешанного типа на основе субмикрокристаллической (СМК) и нанозеренной составляющих, причем последняя наблюдается в основном в микрополосах локализации деформации. Изучено изменение фазового состава никелида титана при 295 К после abs-прессования.

Приведены результаты комплексного экспериментально-теоретического исследования деформационного поведения, закономерностей и механизма откольного разрушения гетерофазного алюминиевого сплава Al-Mg-Li-Zr с ультрамелкозернистой и крупнозернистой структурой при воздействии наносекундного сильноточного электронного пучка. Рассмотрены закономерности зарождения и распространения ударной волны, а после ее отражения от тыльной поверхности - волны отражения. Отмечены общие закономерности изменения толщины откольного слоя и степени его пластической деформации при ультрамелкозернистой и крупнозернистой структурах. Показано, что у исследованного гетерофазного сплава Al-Mg-Li-Zr откольная прочность определяется не исходной зеренной структурой, а ультрамелкозернистой структурой, сформированной в зоне откола при воздействии волны растяжения.

Методом холодного прессования и последующего вакуумного спекания смесей порошков алюминия и железа получены алюминиевые сплавы, которые представляют собой алюминиевую матрицу, содержащую от 40 до 80 об.% интерметаллидов FtAl3. Высокотвердая вторая фаза в зависимости от ее содержания находится в матрице в виде отдельных включений или образует непрерывный каркас. Определены пористость, прочностные свойства, коэффициент трения и несущая нагрузка сплавов при различных режимах трения в контакте с закаленной сталью.

Исследована кинетика зарождения и роста усталостных трещин путем анализа полей смещений в поликристаллических образцах дуралюмина Д16АМ в условиях малоцикловой усталости. Показано, что на мезомасштабном уровне усталостное разрушение имеет многостадийный характер и связано с трансляционно-ротационным движением объемных мезодефектов и фрагментацией материала. Критерии диагностики разрушения определяются параметрами мезоскопических субструктур, формирующихся на поверхности поликристаллов в процессе их циклического нагружения.

Исследованы эволюция микроструктуры и изменение температур мартенситных превращений сплава Ti49,8 Ni50,2 (ат. %) с увеличением степени деформации при изотермическом аЬс-прессовании (Т = 723 К). Обнаружено, что на начальных стадиях abc-прессования в области ковочного креста происходит резкое увеличение размера зерен, в некоторых случаях превышающий исходный размер почти на порядок. Проанализированы возможные механизмы формирования такой структуры. Показано, что при степенях истинной деформации е2 во всем объеме образца происходит измельчение зеренной структуры по механизму непрерывной динамической рекристаллизации, приводящее к формированию однородной мелкозернистой структуры с высокой объемной долей субмикрокристаллической и наноструктурной фракций. Установлено, что при всех исследованных степенях деформации температуры мартенситных превращений практически остаются постоянными, что объясняется интенсивным протеканием процессов динамического и постдинамического возврата, а также образованием мартенситной фазы при охлаждении от температуры прессования.

Проведены структурные исследования и испытания на изгиб порошковых композитов, полученных горячим уплотнением механических смесей из элементарных порошков алюминия, титана и кремния. Определены режимы термосиловой обработки, при которых сохраняется исходный фазовый состав механической смеси и достигаются максимальная прочность и пластичность композитов. Определено, что прочность и пластичность композитов определяются алюминиевой матрицей, формирующейся при сваривании смежных порошковых частиц.

На примере алюминиевых сплавов рассмотрено применение проекционных методов многомерного анализа данных к обработке измерений, получаемых при многочастотном вихретоковом контроле. Полученные результаты показали, что предложенный подход позволил разделить влияние различных факторов и тем самым обеспечить надежную классификацию материалов по их физико-механическим характеристикам для задач входного контроля.

Представлены результаты исследования механических свойств синтезированного композита «оксид циркония - многостенные углеродные нанотрубки». Керамический композит получали на основе гидротермального синтеза из суспензии соли циркония с диспергированными углеродными нанотрубками, закритической сушкой гидрогеля и последующей термообработкой аэрогеля. Спекание фрагментов аэрогеля в объемный образец-таблетку производили методом горячего прессования.??Исследование механических свойств композита осуществлялось на базе системы нано- и микроиндентирования NanoTest. Проведены эксперименты по однократному микроиндентированию синтезированного композита для различных значений максимальной приложенной нагрузки в интервале 100-500 мН. По экспериментальным данным «величина нагрузки - глубина индентирования» на основе стандартной модели Оливера-Фарра оценивали упругий модуль материала и твердость; энергию, диссипированную в материал на стадии индентирования, и энергию упругого восстановления материала на стадии разгрузки определяли по площади под соответствующими участками кривой индентирования.??Показано, что зависимость твердости композита от глубины отпечатка носит степенной характер, тогда как модуль упругости линейным образом уменьшается.

Рассчитано напряженно-деформированное состояние и смоделирован процесс развития разрыва в области, содержащей жесткий блок вблизи разлома. Рассмотрено влияние приложенных напряжений на место инициации и направление развития разрыва в области Чаган-Узунского блока. Показана возможность реализации различных механизмов неупругой деформации. Смоделированы условия, обеспечивающие сверхбыстрое распространение разрыва вдоль линии разлома.

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.

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.

Методами электронно-микроскопического и рентгеноструктурного анализов исследованы особенности эволюции структурно-фазового состояния наноструктурного сплава Ti-6Al-4V-H в процессе вакуумного отжига и облучения пучком электронов. Показано, что сочетание предварительного легирования водородом, горячего прессования и изотермического отжига в вакууме позволяет сформировать в сплава Ti-6Al-4V субмикрокристаллическую структуру со средним размером зерен менее 0,3 мкм. Установлено, что использование для дегазации по водороду облучения электронным пучком снижает не только температуру выхода водорода. но также и температуру рекристаллизации СМК структуры.

We investigate some mechanisms of the response, including fracture, of block geomedia to nonequiaxial compression in shear by the movable cellular automaton method. For a characteristic of the degree of nonequiaxiality it is proposed to use a dimensionless parameter which, according to calculations, is efficiently applicable to determine the deformation mode of a medium under constrained shear conditions. It is shown that increasing the compressive stress in the shear direction shortens the stage of quasiplastic deformation of a geomedium and decreases its shear strength. This is because mesoscale mechanisms of interblock discontinuity assume a leading part in the deformation and fracture of the geomedium with increasing the degree of constraint. The effect shows up, among other things, as an increase in effective dilatation rate of the shear zone due to the change of lower-scale deformation mechanisms for mechanisms of higher structural levels.

Работа посвящена теоретическому исследованию влияния ряда параметров напряженного состояния фрагментов залеченных разломных зон на особенности их механического отклика при сдвиговом деформировании в условиях неравноосного сжатия. Исследование проводилось на основе компьютерного моделирования методом подвижных клеточных автоматов. В качестве основного параметра напряженного состояния среды в работе использован безразмерный параметр - степень неравноосности сжатия, характеризующий отношение бокового и нормального напряжений в плоскости деформирования. Основной целью работы являлся анализ зависимостей сдвиговой прочности, величины предельной сдвиговой деформации и изменения объема фрагмента среды (дилатансии) от степени неравноосности сжатия на начальной стадии активизации фрагмента разломной зоны. Показано, что важным фактором, влияющим на условия, при которых происходит активизация залеченной разломной зоны, является степень неравноосности сжатия среды. При этом величина сдвиговых напряжений, действующих во фрагменте среды, а также соответствующие ей уровни предельной сдвиговой деформации и дилатансии, при которых возможна активизация разломной зоны, существенно зависят от динамики изменения и соотношения локальных значений некоторых инвариантов тензора напряжений. Среди них можно выделить такие характеристики напряженного состояния, как давление и интенсивность напряжений. Это связано с тем, что данные параметры определяют возможность функционирования в геологической среде одного из ключевых деформационных механизмов, который связан с формированием и эволюцией повреждений на границах раздела структурных элементов в блочной среде. В частности, снижение во фрагменте среды уровня давления при относительно низких уровнях интенсивности напряжений может приводить к увеличению его предельной сдвиговой деформации и дилатансии в момент начала активизации разломной зоны. В то же время значительное увеличение интенсивности напряжений при одновременном снижении давления может приводить к значительному снижению сдвиговой прочности геосреды.

Монография посвящена вопросам получения. исследования структуры и свойств объемных наноструктурных материалов. Большой интерес к этой новой научной тематике связан с обнаружением уникальных физических и необычных механических свойств наноструктурных материалов и перспективами их широкого практического применения. Особое внимание в монографии уделено объемным наноструктурным металлическим материалам, полученным методами интенсивной пластической деформации, где многие пионерские разработки были выполнены при непосредственном участии авторов. Предназначена для специалистов, занимающихся проблемами физики и механики твердых тел, созданием новых материалов, может быть использована как учебное пособие для студентов и аспирантов соответствующих специальностей.

Исследованы структура, фазовый состав наносистем на основе диоксида циркония, полученных методом денитрации водных растворов солей в плазме высокочастотного разряда. Изучено изменение морфологии нанокристаллического порошка при механической активации, прессовании, отжиге. Показано, что в процессе мехактивации порошок разделяется на две подсистемы с отличающимися на два порядка средним размером структурных элементов, при это возрастает доля квазиаморфной (рентгеноаморфной) фазы, что позволяет направленно изменять характеристики спеченных материалов.

С использованием метода рентгеноструктурного анализа исследованы величина и характер распределения макроискажений кристаллической решетки, возникающих в результате электронно-лучевой наплавки износостойкого покрытия со структурой азотистого аустенита на сталь 65Г. Показано, что модифицирование наплавочного порошка тугоплавкими частицами V(CN) снижает величину макродеформаций в покрытии, но не влияет на характер их распределения в двухфазной аустенитно-мартенситной зоне сплавления.