| Руководитель направления: | Камышанченко Николай Васильевич |
| Ведущие ученые в данной области: | Доцент, кандидат физико-математических наук Беленко Владимир Алексеевич / Кандидат физико-математических наук Гальцев Александр Владимирович |
| Код ГРНТИ: | 30.19.00 |
Состав научного коллектива
Кузьменко И.Н. – кандидат физико-математических наук, доцент;
Беленко И.А. – кандидат физико-математических наук, доцент;
Беленко В.А. – кандидат физико-математических наук, доцент;
Дручинина О.А. – кандидат физико-математических наук;
Колпаков А.Я. – кандидат физико-математических наук;
Галкина М.Е. – кандидат физико-математических наук;
Гончаров И.Ю. – кандидат физико-математических наук;
Роганин М.Н. – сотрудник;
Гальцев А.В. – аспирант.
Обоснование значимости (актуальности) научного направления.
Наука о прочности и пластичности твердых тел относится к числу одной из основных в развитии практически всех областей техники. 20 – е столетие было весьма удачным периодом в развитии научных представлений о прочности и пластичности. Создание научных основ прочности и пластичности кристаллических материалов позволило установить причины малой прочности по сравнению с теоретически вычисленной, а создание высокоразрешающего оборудования и современных методов исследования позволило рассмотреть структуру и обнаружить распределение внутренних напряжений в кристаллах, определить зависимость физико-механических свойств реальных кристаллических материалов от структурно-фазового состояния, плотности и пространственного распределения дефектов в их объеме, обосновать пути ее повышения.
Известно, что предельная прочность кристаллических материалов определяется природой и величиной сил межатомных связей и может быть реализована лишь в случае идеального кристалла. Из – за дефектности реальных кристаллов прочность межатомных связей используется в малой степени. Повышение степени использования межатомных связей возможно за счет создания барьеров с помощью высокой плотности дефектов. И.А. Одингом [1] впервые была предложена гипотетическая кривая зависимости прочности от плотности дислокаций. Как показывает диаграмма наибольшую сопротивляемость пластическому деформированию, а следовательно, и прочности имеет металл с очень высокой плотностью дислокаций, либо металл, у которого плотность дислокаций доведена до минимума (рис.1,а) [2,3]. Экспериментальное подтверждение гипотетической кривой прочности получена на меди (рис.1,б). Наибольшая прочность получена на нитевидных кристаллах (усы), характеризуемых высокой степенью совершенства кристаллического строения.
На нитевидные бездефектные кристаллы возлагались большие надежды. Разрабатывались технологии получения композитных материалов на основе нитевидных кристаллов.
Однако основными путями повышения прочности реальных макрокристаллических материалов являются различные способы усиления межатомных связей путем легирования, создания плотности дефектов кристаллического строения (дислокаций) и их оптимального распределения в объеме кристаллов, устранения локальных пиковых перенапряжений в кристаллах. Это достигается благодаря использованию рационального сочетания легирования, пластической деформации и отжига кристаллических материалов. Во всех случаях повышение практической прочности кристаллических материалов связано с увеличение степени использования сил межатомных связей с одновременным участием атомов в сопротивлении действию внешних сил и взаимной релаксации напряжений, создаваемых дефектами. Именно величина межатомных связей и характерные особенности дефектной структуры представляют собой те два тесно связанных фактора, ответственных за сопротивление в реальных кристаллах, возникновения, развития деформации и разрушения, и в итоге определяющих резервы повышения их прочности.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния температуры, скорости нагружения, исходного состояния структуры кристаллов на процессы зарождения и развития элементарных актов пластической деформации, на сопротивление движению дислокаций в реальных кристаллах, на формирование дефектной структуры, на изменение дисперсии распределения потенциальных барьеров и профиля поля внутренних напряжений в кристаллах позволили выделить два основных типа упрочнения кристаллических тел:
Дислокационно-субструктурный механизм упрочнения связан с созданием высокой плотности дислокаций и мелкодисперсной ячеистой структуры в объеме кристаллов для этого необходимо деформирование металлических образцов (изделий) до значительных степеней деформаций с последующим отпуском при температурах ниже температуры рекристаллизации. Благоприятными условиями для проявления этого механизма упрочнения материалов являются: низкие температуры и высокие скорости деформирования. Дислокационно-субструктурный механизм упрочнения реализуется во многих способах механико-термической обработки материалов.
Диффузионно-дислокационный механизм упрочнения реализуется за счет микросдвиговой и диффузионной релаксации локальных напряжений в объеме упрочняемого металла. Благоприятными условиями для проявления этого механизма являются: наличие в объеме упрочняемого материала неравновесной концентрации точечных дефектов, градиентов химического и механического потенциалов и малые скорости приложения внешних напряжений. Преимуществом диффузионно-дислокационного механизма упрочнения кристаллических материалов является то, что он не связан с применением заметных пластических деформаций и поэтому он может быть с успехом применен в качестве завершающей технологической операции обработки готовых изделий. Наиболее распространенным способом реализации диффузионно-дислокационного механизма упрочнения металлов и сплавов является их отпуск после закалки или деформации в определенной температурной области.
На возможность снятия внутренних напряжений при отпуске твердых растворов за счет диффузионных процессов была впервые высказаны и теоретически обоснована С.Т. Конобеевским. Было доказано, что существующие в кристаллических материалах пиковые напряжения релаксируют за счет направленной сегрегации атомов примеси. В дальнейшем это явление получило название «восходящей диффузии». Снижение создаваемых напряжениями кристаллической решетки внутренних напряжений при этом приводит к повышению стабильности и ее устойчивости по отношению к последующим внешним воздействиям.
Приложенное напряжение, не превышающее по величине предела текучести при выбранной (оптимальной) температуре, способствует, с одной стороны, вскрытию пиковых напряжений, с другой – ускорению процессов их релаксации за счет диффузионных и микросдвиговых механизмов.
Систематические исследования влияния отпуска под нагрузкой на свойства различных сталей были проведены в ЦНИИЧМ им. И.П. Бардина. Одной из особенностей структуры металлов и сплавов после отпуска под нагрузкой является ориентированное перераспределение дефектов решетки. Это явление характерно для отожженных под нагрузкой закаленных металлов. Во всех случаях при отжиге кристаллов в свободном состоянии вследствие наличия большого числа эквивалентных кристаллографических плоскостей и напряжений в решетке распределение дислокационных петель и других вторичных образований в объеме кристалла беспорядочное. Одноосное же приложение нагрузки в процессе отпуска кристалла с неравновесной концентрацией дефектов решетки или пересыщенного твердого раствора способствует разделению энергетических состояний в расположение комплексов на группу с меньшей симметрией, чем симметрия решетки в свободном состоянии. Теория процесса ориентированного перераспределения дефектов при отжиге по нагрузкой позволяет объяснить возможность диффузионно-дислокационной пластичности за счет диффузионной переориентации дислокационных петель и частиц выделений в пространстве упругонапряженных кристаллов. Как показали экспериментальные исследования, данные представления о протекающих процессах хорошо согласуются с полученными результатами на чистых металлах.
Было установлено, что повышение предела текучести после быстрого охлаждения от высоких температур происходит за счет повышения концентрации вакансий [10]. Однако явно выраженное упрочнение отмечается после дальнейшего температурно-временного старения.
Для релаксации локальных напряжений и залечивания всего спектра неоднородностей было предложено произвести отжиг, отпуск, старение материалов и изделий из них под плавно возрастающей с определенной скоростью нагрузкой в макроупругой области в условиях, близких по температурным и силовым режимам к эксплуатационным. При этом должно соблюдаться постоянное равенство между внутренним сопротивлением деформированного материала и величиной плавно возрастающей нагрузкой. Такое термомеханическое воздействие было названо программным нагружением, а достигаемое при этом упрочнение – программным упрочнением.
Большие перспективные возможности в создании устойчивой структуры с заданными физико-механическими свойствами заложены в программном воздействии на микролегированные редкоземельными элементами металлы. Особый интерес представляют исследования, позволяющие создавать условия целенаправленного управления процессами взаимодействия микролегирующих примесей со структурой материала. Выбор редкоземельных элементов, их процентное содержание в объеме металла и воздействие на их расположение программного упрочнения способствует созданию структуры с заданными физико-механическими свойствами.
Требования к повышению ресурса и надежности изделий новой техники вызывают необходимость совершенствования и разработки новых способов получения и обработки конструкционных материалов.
К настоящему времени с целью повышения комплекса физико-механических свойств материалов и изделий из них предложены различные технологии их обработки. Однако внутренние резервы металлов и сплавов не исчерпали своих возможностей.
Разработки, предназначенные для коммерциализации
