ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ПРОЧНОСТИ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ СО РАН

Важнейшие научные достижения

2004 г.

Волновые механизмы пластического течения в многоуровневой модели деформируемого твердого тела и новый метод упрочнения материалов

На основе системного подхода теоретически и экспериментально обоснованы основные принципы многоуровневой модели деформируемого твердого тела, в которой поверхностные слои являются самостоятельной подсистемой. Наноструктурирование поверхностных слоев позволило вскрыть развитие в деформируемом материале широкого спектра волновых процессов: самосогласованные некристаллографические мезополосы по сопряженным направлениям максимальных касательных напряжений, двойные спирали мезополос, замкнутые петли и мезовихри. Разработан принципиально новый метод упрочнения материалов путем создания в них наноструктурных поверхностных слоев с барьерным подслоем. Он позволяет повышать прочность материала с одновременным увеличением его пластичности. На основе данного метода разрабатываются упрочняющие технологии в ОАО «РЖД», Росатоме, Росавиакосмосе.

эксперимент

моделирование

   

а)

б)

Рис. 1.1. Волны пластического течения в наноструктурированном поверхностном слое при растяжении образца стали 3, Т = 273 К, ε = 28%. а – сканирующая туннельная микроскопия, б – моделирование растяжения двухуровневой системы

Коррелированное движение очагов локализации деформации

Экспериментально обнаружено явление коррелированного движения макроскопических очагов локализованной пластической деформации, состоящее в том, что очаги движутся вдоль образца с постоянными, но различными для каждого скоростями, таким образом, что все траектории их движения на диаграмме “координата очага Х – время t”, представляют собой прямые линии, пересекающиеся в одной точке (полюсе). Установлено, что координаты последнего соответствуют месту и времени вязкого разрушения, зарождающегося в наименее подвижном из имеющихся очаге. Экстраполяция двух или более траекторий до их пересечения позволяет выделить полюс и, тем самым, прогнозировать место и момент разрушения. Эффект наблюдается на стадии параболического деформационного упрочнения, когда напряжение σ и деформация ε связаны соотношениемЭкспериментально обнаружено явление коррелированного движения макроскопических очагов локализованной пластической деформации, состоящее в том, что очаги движутся вдоль образца с постоянными, но различными для каждого скоростями, таким образом, что все траектории их движения на диаграмме “координата очага Х – время t”, представляют собой прямые линии, пересекающиеся в одной точке (полюсе).

Установлено, что координаты последнего соответствуют месту и времени вязкого разрушения, зарождающегося в наименее подвижном из имеющихся очаге. Экстраполяция двух или более траекторий до их пересечения позволяет выделить полюс и, тем самым, прогнозировать место и момент разрушения. Эффект наблюдается на стадии параболического деформационного упрочнения, когда напряжение σ и деформация ε связаны соотношением σ ~ εn, и возникает при значении показателя упрочнения n < Ѕ. Существование эффекта подтверждено на образцах, изготовленных из ОЦК сплава Fe-3%Si в моно- и поликристаллическом состояниях, субмикрокристаллического ГЦК Al и поликристаллического ГПУ сплава Zr-1%Nb.
Рис. 1.2. Траектории движения очагов локализованной  пластическойдеформации в образце субмикрокристаллического Al.
* - соответствует времени и месту разрушения.

Особенности микроструктуры сверхтвердых нанокомпозитных покрытий

Вскрыта физическая природа уникально высоких (твердость более 40 ГПа) прочностных свойств покрытий типа TiN/Me, которые определяются высокими (близкими к теоретической прочности) локальными внутренними напряжениями, реализущимися в двухуровневой наноструктуре. Формирование таких структурных состояний является результатом реализации механизма конкурентного столбчатого роста кристаллов в условиях образования текстуры роста.

Рис. 1.3.
а) светлопольное изображение двухуровневой дефектной наноструктуры;
б) картина микродифракции нанокомпозитного покрытия TiN/Cu на расстоянии 2-3 мкм от поверхности сопряжения с подложкой непосредственно после напыления покрытия;
в) то же после релаксации внутренних напряжений;
г) схема двухуровневой структуры в нанокомпозитном покрытии TiN/Cu.

Размерные эффекты и механизмы разрушения керамических композитов

Показано, что в нанокристаллическом диоксиде циркония при размере кристаллитов менее 25 нм параметры решётки изменяются по сравнению с крупнокристаллическим состоянием, что приближает её структуру к структуре кубической фазы - в материале происходит размерный фазовый переход. При этом фазовый состав материала полностью определяется уровнем микроискажений кристаллической решетки. На основе построенной математической модели механического поведения металлокерамических композитов при нагружении с учетом образования и распространения трещин мезоскопического масштаба показано, что разрушение первоначально реализуется в наиболее крупных включениях, затем в средних, и только на заключительных стадиях в мелких. При сжатии мезообъема процесс растрескивания включений сопровождается развитым пластическим течением в матрице, тогда как зарождение и распространение трещины при растяжении происходит на стадии упругого деформирования. Эти результаты полностью согласуются с экспериментально наблюдаемыми.

Рис. 1.4. Зависимость параметров решётки от среднего размера кристаллитов для нанокристаллического Zr02(3Y)

Рис. 1.5. Зависимость среднего размера карбидных зерен, вовлеченных в пластическую деформацию металлокерамического композита

Разработка научных основ и создание биокомпозитов наноструктурный титан – биоактивное покрытие

Разработаны научные принципы создания и получен биокомпозит на основе наноструктурного титана, полученного воздействием интенсивной пластической деформации, с нанокристаллическим биоактивным кальций-фосфатным покрытием для медицинских имплантатов. Проведенное совместно с Центром ортопедии и медицинского материаловедения Томского научного центра СО РАМН (ЦОММ ТНЦ СО РАМН) изготовление и медико-биологическое тестирование «in vitro» и «in vivo» продемонстрировало наличие комплекса необходимых медико-биологических свойств у образцов имплантатов из созданного биокомпозита. Получено заключение об использовании данной разработки в клинической практике ЦОММ ТНЦ СО РАМН при лечении сложных категорий больных с положительными результатами.


Рис. 1.6. Медицинские имплантаты
из биокомпозита на основе наноструктурного титана.