ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ПРОЧНОСТИ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ СО РАН

Важнейшие научные достижения

2005 г.

Эффект «шахматной доски» в распределении напряжений и деформаций в поверхностных слоях и на интерфейсах в твердых телах

В рамках междисциплинарного интеграционного проекта №93 СО РАН экспериментально обнаружен эффект «шахматной доски» в распределении напряжений и деформаций в поверхностных слоях и на интерфейсах в твердых телах в полях внешних воздействий (механических, тепловых, электрических). Данный эффект связан с несовместностью деформации двух сред при их сопряжении и возникает в любых многоуровневых системах: на границах раздела «поверхностный слой – объем материала», «покрытие - подложка», в многослойных тонкопленочных структурах, на границах зерен в поликристаллах и межфазных границах. «Шахматная» модуляция напряжений на интерфейсах обусловливает их гофрирование на различных масштабных уровнях (рис. 1, а, б). Разработана трехмерная стохастическая модель распределения напряжений и деформаций на интерфейсе «поверхностный слой - подложка» (рис. 1, г), которая позволила теоретически обосновать особую роль поверхностного слоя в нагруженных твердых телах и развитие в них нелинейных волновых процессов на мезо- и макромасштабных уровнях. На микромасштабном уровне разработана атомная модель зарождения деформационных дефектов путем локального прямого плюс обратного структурного превращения ГЦК->ОЦК->ГЦК (по схеме «контракционная плюс сдвиговая моды деформаций»). Такие условия теоретически предсказаны при «шахматном» распределении нормальных и касательных напряжений в поверхностных слоях и внутренних границах раздела нагруженных твердых тел. Развитые представления лежат в основе нового метода упрочнения конструкционных материалов путем наноструктурирования их поверхностных слоев или нанесения наноструктурных покрытий. Новые упрочняющие технологии разрабатываются совместно с ВНИИНМ им. А.А. Бочвара, ОКБ Сухого, центром Келдыша.

Рис. 1. «Шахматное» распределение деформации на интерфейсе «тонкая пленка -подложка» при циклическом нагружении дуралюмина с покрытием, обусловленное различием их упругих характеристик: а - РЭМ-изображение х4000; б - атомно-силовая микроскопия; в - профилограмма поверхности; г - трехмерное моделирование.

Конденсация очагов локализованной пластичности

Экспериментально обнаружено явление конденсации движущихся очагов локализованной пластичности на стадии предразрушения при нагружении материалов. Такая конденсация связана с формированием и развитием шейки. Реальность этого явления подтверждена исследованиями локализации пластической деформации при растяжении и сжатии металлов, сплавов и керамики.

Рис. 2. Пример конденсации очагов разрушения в сплаве на основе ванадия.

Рис. 3. Конденсация очагов локализации деформации в керамике.

Эффект активации приповерхностного слоя

Предложена и физически обоснована модель, позволяющая объяснить природу активации приповерхностного слоя в условиях обработки материала высокоэнергетическими потоками частиц. Параметр активации, определенный по отклонению эффективного атомного объема от равновесного значения, можно рассматривать как термодинамическую переменную. Экспериментально показано, что эффект/параметр активации определяет формирование структурно-фазовых состояний в модифицированных слоях.

Рис. 4. Распределение по координате параметра активации и относительной концентрации легирующего элемента.

Рис. 5. Распределение элементов внедрения – O,C (а), Zr (б) и основных компонентов сплава TiNi (в, г) по глубине модифицированного слоя. На всех графиках кривые 1 – высокодозовая ионная имплантация (ВДИИ) ионов циркония; кривые 2 – ВДИИ ионов циркония после обработки поверхности образца низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком.

Формирование наноструктурного состояния в двухфазных титановых сплавах

На примере промышленного двухфазного титанового сплава Ti-6Al-4V показана возможность решения проблемы сохранения наноструктурного состояния (средний размер зерен 100 нм) в процессе его формирования методом обратимого легирования водородом в сочетании с горячим прессованием и последующей активацией выхода водорода из наноструктурного сплава воздействием электронного пучка. Использование для дегазации сплава от водорода традиционного метода – высокотемпературного отжига в вакууме – приводит к деградации наноструктуры и росту зерен до субмикронных размеров – 0,3 мкм и более (рис. 6). Формирование наноструктурного состояния предложенным методом приводит к повышению предела текучести сплава при комнатной температуре в 1,8 раза при сохранении удовлетворительной технологической пластичности.

Рис. 6. Микроструктура сплава Ti-6Al-4V после обработки с использованием обратимого легирования водородом и горячего прессования. а – дегазация отжигом в вакууме при температуре 873 К; б – дегазация в вакууме в условиях облучения электронным пучком при температуре 573 К.

Исследование напряженно-деформированного состояния и разрушения нанокерамики с развитой поровой структурой

Изучено напряженно-деформированного состояние керамики на основе нанокристаллического диоксида циркония в широком интервале пористости. Показано, что распределения пор и среднего расстояния между ними по размерам (рис. 7) имеют унимодальный характер, при этом средний размер пор почти не меняется с ростом пористости, в то время как среднее расстояние между ними уменьшается почти на порядок. Проведенное компьютерное моделирование разрушения пористых керамических образцов с различной регулярной и стохастической структурой порового пространства показало, что образцы со стохастическим распределением пор обладают наименьшей прочностью, но максимальной разностью между деформацией, при которой появляются первые повреждения, и полной потерей несущей способности. Факторами, снижающими прочность образцов со стохастической структурой пор, являются наличие областей с повышенной локальной пористостью, а также пониженный эффективный модуль упругости. Анализ распределения напряжений по объему деформированного образца показал, что для высокой пористости максимум распределения напряжений по объему сдвигается в область меньших значений (рис.8), а само распределение теряет вид нормального, т.е. на макроуровне образец деформируется неоднородно уже на упругой стадии. Его напряженно-деформированное состояние отражает сугубо локализованный характер деформирования, и в локальных участках возникают высокие концентрации напряжений. При низкой пористости концентрации напряжений распределены квазиравномерно. Это означает, что, мезообъемы деформируются как целое квазиоднородно на макроуровне.

Рис. 7. Зависимость среднего размера пор (а) и среднего расстояния между порами (б) от пористости.

Рис. 8. Зависимость положения максимума распределения напряжений от пористости.