На начальных шагах распыления обоими типами бомбардирующих частиц обнаружены различия в ширине вытравленных участков зернограничных областей материала в исследуемых состояниях: на наноструктурном образце ширина вытравленной области меньше, чем на мелкозернистом. На наноструктурном образце в некоторых случаях также видны (предположительно) выступающие зернограничные области над поверхностями соседних зерен. Этот результат объясняется большим значением плотности дефектов и неравновесным состоянием границ зерен в наноструктурном никеле, что способствует увеличению радиационно-стимулированной миграции атомов и диффузии точечных дефектов к границам зерен, замедляя распыление зернограничной области.

После большого количества шагов ионного распыления морфология поверхности наноструктурного никеля имеет значительные различия по сравнению с его мелкозернистым аналогом. Экспериментально показано, что при кратковременной ионной бомбардировке ионами аргона с энергией 3,5 кэВ изначально гладкой поверхности у наноструктурного никеля не происходит ярко выраженного вытравливания зернограничной области, то есть, зернограничная область имеет тот же уровень поверхности, что и ближайшие тела зерен. Между тем у мелкозернистого никеля, при тех же условиях бомбардировки, видно ярко выраженное вытравливание зернограничной области.

Данный результат важен для понимания влияния структуры металлов на механизмы взаимодействия низкоэнергетического ионного облучения с их поверхностью.

Проведена комбинированная деформационная обработка образцов из сплавов Гейслера на основе системы Ni-Mn-Ga. Первая стадия обработки включала многократное изотермическое сжатие (ковку) образца с переменой направления деформирования на 90°. Его выполняли за несколько переходов при температуре 700°С, соответствующей фазовой области существования высокотемпературной частично упорядоченной B2 фазы. На последних переходах ковку образца проводили относительно одного и того же направления так, что результате получали образец, вытянутый вдоль заданной оси. Величина суммарной истинной деформации при многократной ковке составила е ≈ 2,42. Вторая стадия заключалась в прямой экструзии в направлении оси образца при температурах 600°С и 700°С с коэффициентом вытяжки 2:1 - с диаметра цилиндрического образца Æ 10 мм на диаметр Æ 5 мм. Величина истинной деформации при экструзии составила е = 1,39. Величина аккумулированной истинной деформации материала за две стадии комбинированной деформационной обработки составила е ≈ 3,8.

Анализ микроструктуры после такой обработки показывает наличие бимодальной зеренной структуры и острой металлографической текстуры. Если в литом состоянии уровень анизотропии термического расширения сплава был незначителен, в результате первого этапа деформационно-термической обработки ковкой в направлении перпендикулярно оси вытяжки уровень анизотропии вырос, о чем свидетельствует величина вклада мартенситного превращения в относительное изменение длины образца при превращении, которая составляла соответственно 0.06% после литья и 0.23% после ковки. В результате последующей экструзии при обеих температурах эта величина падает до 0.15%, но остается сопоставимой с максимальными величинами, достигаемыми путем литья (около 0.3%). Таким образом, в результате деформационно-термической обработки сплавов Гейслера ковкой и / или экструзией можно получить достаточно высокие величины анизотропии термического расширения, сравнимые с литым состоянием. При этом ожидается, что за счет наличия бимодального распределения зерен материал будет обладать повышенными механическими свойствами.

Испытаниями на растяжение проведены сравнительные исследования механических свойств при комнатной температуре образцов мартенситностареющей стали EOS StainlessSteel PH1, полученных методом селективного лазерного плавления и традиционным методом горячей прокатки гомогенизированного слитка. Несмотря на разный фазовый состав и существенно различный спектр разориентировок границ зерен и текстуру, после термообработки на старение образцы имеют примерно одинаковый предел прочности на растяжение. Последний составляет 960 МПа, 1045 МПа после селективного лазерного плавления и прокатки, соответственно, и 1200 МПа после старения. Однако пластичность и микротвердость образцов, полученных методом аддитивного производства, оказались на 5% выше, чем в образцах, полученных традиционным методом. Такое различие связано со структурными особенностями образцов, полученных сплавлением порошка, в которых сформировалась однородная по объему ультрамелкозернистая структура, обладающая в основном большеугловыми границами зерен, и отсутствует текстура. Значения микротвердости также оказались выше в образцах, полученных аддитивным методом (330 МПа против 290 в прокатанном образце), причем после старения при 480°С значения микротвердости увеличились почти на 100 МПа, и разница сохранилась. Таким образом, аддитивный метод позволяет получать изделия с механическими свойствами, не уступающими свойствам полученных традиционными методами изделий.

Методами EBSD и ПЭМ проведены исследования структуры и фазового состава инварного сплава Fe-36%Ni в наноструктурном состоянии, в котором по результатам более ранних рентгеноструктурных и магнитометрических исследований было обнаружено выделение ОЦК альфа-фазы. Особое внимание уделялось состоянию после отжига при 420°С, в котором количество ОЦК альфа-фазы было максимальным. Исследование электронно-дифракционных картин подтвердило наличие ОЦК фазы в исследуемом сплаве. На электронограммах, снятых с образцов наноструктурного инвара Fe-36%Ni, установлено наличие рефлексов, характерных для ОЦК фазы.

Методом молекулярной динамики исследованы структура и механические свойства гибридных sp1-sp2, sp2-sp3 и алмазоподобных структур углерода с целью описания его новых аллотропных форм. Классифицированы и исследованы углеродные аэрогели различной конфигурации, изучен отклик аэрогелей двух типов на приложенную деформацию. Показано, что существует множество типов устойчивых аэрогелей разной морфологии.

Исследовано взаимодействие атомов водорода с искривленным и плоским графеном. Показано, что появление складок приводит к увеличению химической сорбции графена.

Исследовано деформационное поведение углеродных алмазоподобных фаз (sp2-sp3 структур углерода) на основе нанотрубок и листов графена, установлены механизмы их деформирования, предсказаны новые необычные свойства углеродных алмазоподобных структур на основе листов графена, фуллеранов и тубуланов. Выведены критерии устойчивости новых фаз, первые два из которых после релаксации и упругого деформирования исходных структур позволяют получить устойчивые углеродных алмазоподобные фазы, а третьим критерием является хорошо известный критерий термодинамической устойчивости.

Молекулярно-динамическим моделированием установлено, что гидростатическое сжатие скомканного графена приводит к увеличению его сорбционной ёмкости. Сжатие наводороженного скомканного графена на 40% при T = 77 K в 4 раза уменьшает число покидающих его атомов водорода по сравнению с недеформированным графеном. Это объясняется тем, что гидростатическое сжатие предотвращает разворачивание графеновых чешуек при температурном воздействии. Однако при T > 200 K сжатие облегчает процесс дегидрирования скомканного графена за счет того, что молекулы водорода покидают поры углеродной структуры крупными скоплениями, приводя к быстрому разводораживанию структуры. Сжатие позволяет повысить температуру начала процесса разводораживания скомканного графена. Так, дегидрирование недеформированного скомканного графена начинается при температуре ниже 100 K, в то время как после сжатия на 40% эта температура повышается до 150 K. Полученные результаты показывают, что новые углеродные структуры на основе графена имеют перспективу применения в качестве материалов, используемых для хранения и транспортировки водорода.

Проведены исследования влияния предварительной подготовки поверхности образцов никеля на качество их соединения, полученного ультразвуковой сваркой (УЗС). В качестве материала использовались листы технически чистого никеля НП2 толщиной 0,5 мм. Статическая нагрузка в процессе УЗС составляла P = 5 кН, время сварки t = 1 с, амплитуда колебаний наконечника составляла 16 μm. Наконечник имел прямоугольную форму размерами 4,5×6 мм². На часть образцов была нанесена капля этилового спирта непосредственно в зону сварки, после чего сразу была проведена УЗС. Часть образцов была сварена без предварительной подготовки. Показано, что предварительная обработка поверхности свариваемых образцов технически чистого никеля этиловым спиртом приводит к некоторому повышению прочности сварных швов, полученных ультразвуковой сваркой. Разница пределов прочности образцов, сваренных с предварительной подготовкой поверхности, и прочности образцов, полученных сваркой без предварительной подготовки, составила около 10%. 

Исследована микроструктура образцов экспериментального титанового сплава Ti-1,5Al-1,5V-3,0Mo-2,75Fe-0,25Ni-0,1B (вес. %) после испытаний на растяжение при температурно-скоростных режимах сверхпластичности. Установлено, что микроструктура сплава при температурах до 750°С стабильна, тогда как при более высоких температурах наблюдается существенный рост зерен (как статический при нагреве, так и динамический при растяжении). После испытаний при повышенных скоростях деформации рост зерен менее выражен. В интервале оптимальных температур сверхпластичности 700-750°С равноосная форма зерен в микроструктуре деформированных образцов сохраняется, соотношение объемных долей a и b фаз составляет 60:40.

Исследована зависимость водородной проницаемости мембраны из сплава V-15%Ni от температуры испытаний в интервале 350-500°С. Установлено, что в исходной структуре мембраны до испытаний преобладает неоднородный по химическому составу пересыщенный твердый раствор никеля в ОЦК решетке ванадия, который при нагреве до температуры испытания претерпевает частичный распад с выделением дисперсных частиц фазы V₃Ni. Предположено, что изменение фазового состава сплава V-15%Ni является одной из основных причин выраженной температурной зависимости его водородопроницаемости и нестабильности потока водорода в интервале температур 450-500°С. Показано, что существующие модели водородопроницаемости, не учитывающие особенностей взаимодействия водорода с разными фазами сплава, не позволяют получить надежный прогноз работоспособности мембраны, изготовленной из сплава V-15%Ni, обработанного на твердый раствор. Исследуемый материал представляет интерес для использования в установках для очистки водорода.

Для оптимизации условий обработки, включающей деформацию и обратимое легирование водородом и обеспечивающей формирование ультрамелкозернистой структуры, проведено исследование влияния содержания водорода в b-фазе титанового сплава ВТ30 на развитие рекристаллизации в ходе деформации при температурах однофазной b-области. Показано, что в исследуемых композициях с разным содержанием водорода (С_Н = 0,1- 25 ат. %) при горячей деформации протекает непрерывная динамическая рекристаллизация. На примере сплава ВТ30 с содержанием водорода 18 ат. % показано, что связь между размерами субзерен/зерен (D) b-фазы, которые сформировались при различных температурах деформации, и приведенными напряжениями течения (s/G) подчиняется степенной зависимости s/GµD^N, где N=0,7-0,8, характерной для непрерывной динамической рекристаллизации. Установлено, что такая же зависимость между размерами сформировавшихся субзерен/зерен и величинами s/G наблюдается в сплавах, отличающихся содержанием водорода, но деформированных при одинаковых температурно-скоростных условиях. При этом с увеличением содержания водорода в титановом сплаве возрастает средневзвешенная разориентировка малоугловых границ и доля большеугловых границ, что приводит к трансформации субзеренной структуры в зеренную и формированию ультрамелкозернистой структуры. Таким образом, экспериментально показано, что увеличение содержания водорода в b-фазе титановых сплавов влияет на развитие непрерывной динамической рекристаллизации аналогично снижению температуры или повышению скорости деформации.

Исследованы интерметаллидные β-затвердевающие γ-TiAl сплавы на основе фаз γ-TiAl+α₂(Ti₃Al), содержащие незначительное количество стабильной или метастабильной β(β_о) фазы (Ti-45Al-5Nb-1Mo-0.2B, Ti-43.7Al-4.2Nb-0.5Mo-0.2C-0.2B, Ti-44Al-5Nb-0.2B, ат. %). Для изучаемых сплавов были определены последовательности и температуры фазовых превращений. В сплаве на основе Ti-45Al фазовые превращения происходят в последовательности L → L+β → β → β+α → α+γ+β(β_o) → α+α₂+γ+β(β_o) → α₂+γ+β_o, гдеα₂ и b_o – упорядоченные фазы, в сплаве на основе Ti-43.7Al ‑ L → L+β → β→ β+α → α → α+γ → α+γ+β(β_o) → α+α₂+γ+β(β_o) → α₂+γ+β_o и в сплаве на основе Ti-44Al - L → L+β → β → β+α → α+β_м → α+γ+β_м → α₂+γ+β_м, где β_м - оставшаяся метастабильная β(β_o) фаза. На основании этого были выбраны условия деформационно-термической обработки, которая включала в себя горячую деформацию в упорядоченной фазовой области (α₂+γ или α₂+β_о+γ) и последующую термическую обработку. Микроструктурное исследование обнаружило разную кинетику развития рекристаллизации и глобуляризации в сплавах, несмотря на близкий химический состав. Изучение свойств на растяжение сплавов на основе Ti-45Al и Ti-43.7Al выявило необычно высокие сверхпластические свойства при умеренных температурах (850-1000°С), что, как было показано, обусловлено деформационной обработкой при пониженных температурах и высокой стабильностью микроструктуры сплавов в процессе сверхпластического течения. Дуплексная структура, полученная в сплавах после дополнительной термической обработки, обеспечила механические свойства, сравнимые со свойствами самых перспективных γ-TiAl сплавов последнего поколения.

Начато изучение интерметаллидных β-затвердевающих γ-TiAl сплавов следующих составов: Ti-44Al-0.2B, Ti-44Al-5Nb-0.2B, Ti-44Al-5Zr-0.2B, Ti-44Al-2.5Hf-2.5Zr-0.2B (ат. %). Одна из идей работы заключается в попытке заменить ниобий на изоморфные по отношению к титану элементы (Zr и Hf) с тем, чтобы обеспечить наибольший эффект твердорастворного упрочнения. Другая идея состоит в использовании небольшой горячей деформации в условиях высокого квазигидростатического давления в упорядоченной фазовой области с последующей термической обработкой с целью получения измельченной структуры дуплексного или пластинчатого типа. Установлено, что небольшая горячая деформация и термическая обработка преобразуют литую пластинчатую структуру в структуру дуплексного типа во всех исследованных сплавах. Подобная дуплексная структура была получена во всех сплавах после указанной обработки. Замена ниобия на цирконий привела: i) к улучшению деформируемости при 950°С, ii) к повышению прочности в широком интервале температур, iii) к смещению хрупко-вязкого перехода к высоким температурам.

Показано, что горячая деформация β-затвердевающих интерметаллидных γ-TiAl сплавов может быть осуществлена в полностью упорядоченной фазовой области (α₂+γ или α₂+β_о+γ). Практическое достоинство такой обработки заключается в возможности применения штампового инструмента, выполненного из обычного никелевого сплава, и осуществления штамповки без защитной атмосферы. Другим преимуществом проведения деформационной обработки при пониженных температурах, то есть в упорядоченной фазовой области, является более эффективное измельчение структуры, чем в случае горячей деформации при температурах, когда одна или две фазы разупорядочены. Горячая деформация в упорядоченной фазовой области приводит к формированию мелкозернистой структуры, обеспечивающей необычно высокие сверхпластические свойства при умеренных температурах, а также высокие механические свойства в дуплексном состоянии, полученном после дополнительной термической обработки.

Изучена микроструктура и механические свойства на растяжение сплава Inconel 718, полученного с помощью селективного лазерного плавления. Установлено, что этот метод позволяет получить качественный, относительно мелкозернистый (с развитой субструктурой), практически беспористый и термодинамически неравновесный материал, который после стандартной термической обработки имеет механические свойства, удовлетворяющие требованиям стандарта AMS 5662 (по σ_В, δ_0.2, δ и ψ) и превосходящие свойства деформированного сплава Inconel 718, подвергнутого стандартной термической обработке. Микроструктурные исследования показали, что стандартная термическая обработка сплава, изготовленного с помощью селективного лазерного плавления, приводит к частичному растворению δ фазы и метастабильной γ¢¢ фазы при обработке на твердый раствор и выделению дисперсной метастабильной γ¢¢ фазы при старении.

Изготовлен экспериментальный жаропрочный никелевый сплав с высоким содержанием рения (4 вес.%), предполагаемый для использования в качестве материала штампового инструмента, ‑ Ni-13(Al,Ti,Nb,Ta)-27(Cr,Со,Мо,W,Re,Si,C,B) (вес.%). Слиток сплава разрезан на образцы и термически обработан (гомогенизация, обработка на твердый раствор, старение) для микроструктурных исследований. Изучена микроструктура в исходном состоянии и после термической обработки. Исследован химический состав фаз сплава в литом состоянии и после термической обработки. Кроме γ+γ¢ фазы, в сплаве обнаружены крупные выделения γ¢ фазы. Микроструктурные исследования указывают на то, что основные фазовые превращения при затвердевании происходят в последовательности L → γ → γ¢, как это имеет место в никелевых сплавах. В то же время частицы первичной γ¢ фазы, вероятнее всего, образовались в результате перитектической реакции L_{неравн.} + γ → γ¢, где L_{неравн.} – неравновесная жидкая фаза, сохранившаяся при перитектической температуре. После термической обработки изготовлены образцы для механических испытаний на сжатие и растяжение. Проведены механические испытания на сжатие при 900-1200°С до истинной степени деформации е=0.1. Предел текучести нового сплава почти всегда оказался заметно выше в сравнении с известными никелевыми сплавами и сплавами типа ВКНА на основе интерметаллидной фазы Ni₃Al.

Разработаны режимы горячей прокатки сплава ЭК61 и подготовлены листовые заготовки с мелкозернистой структурой типа микродуплекс, предназначенные для последующей сверхпластической формовки модельных полусфер. Проведены исследования микроструктуры и микротвердости образцов из сплава ЭК61 после прокатки. Проведены отжиги при различных температурах с целью формирования более однородной и мелкозернистой структуры.

Изучены характеристики сверхпластичности сплава ЭП741НП, подвергнутого деформационно-термической обработке при температурах немного ниже температуры полного растворения γ¢ фазы и дополнительной низкотемпературной деформационной обработке. Установлено, что дополнительная деформационно-термическая обработка при пониженной температуре формирует наиболее благоприятную для проявления сверхпластичности структуру дуплексного типа с размером γ зерен и γ¢ частиц в диапазоне d = 0.7-5 мкм. Полученное состояние сплава продемонстрировало пониженную температуру проявления сверхпластичности (близкую к температуре старения этого сплава) при одновременно повышенных сверхпластических удлинениях (до 1320%) в сравнении с относительно крупнозернистым состоянием, полученным в результате обработки при более высокой температуре. Микроструктурный анализ деформированных образцов показал, что высокие удлинения обусловлены не только большой протяженностью межзеренных и межфазных границ, обеспечившей значительный вклад в деформацию зернограничного проскальзывания – основного механизма сверхпластической деформации, но и необычно высокой стабильностью микроструктуры, то есть слабым изменением размера γ зерен и γ¢ частиц в процессе сверхпластического течения.

Исследованы микроструктура и сверхпластическое поведение промышленного алюминиевого сплава 1570C после равноканального углового прессования (РКУП) при температуре T=325°C с суммарной степенью деформации e ~ 3 и последующей изотермической прокатки при той же и комнатной температурах со степенью обжатия около 80%. Установлено, что формирование бимодальной / частично рекристаллизованной ультрамелкозернистой структуры с большой долей малоугловых границ при РКУП и прокатке является необходимым и достаточным условием для демонстрации сплавом эффекта высокоскоростной сверхпластичности с удлинениями до 2500%. Обнаружено, что формирование ультрамелкозернистой структуры происходит преимущественно за счет динамической рекристаллизации и завершается на ранних стадиях сверхпластического течения. При этом структура довольно стабильна при растяжении в широком температурно-скоростном интервале благодаря стабилизирующему действию высокой плотности наноразмерных дисперсоидов Al₃(Sc,Zr), присутствующих в сплаве. Однако, при деформировании при низких температурах и с малыми степенями эти выделения могут подавлять динамическую рекристаллизацию, приводя к наследованию исходной структуры. Это следует учитывать при разработке технологических процессов получения предзаготовок и изделий с использованием эффекта сверхпластичности.

Исследовано влияние скорости деформации в интервале 10^-2-10^-4 с^-1 на микроструктуру алюминиевого сплава 1570C, подвергнутого всесторонней изотермической ковке (ВИК) при температуре 325^oC (около 0,65 Т_пл). Показано, что вне зависимости от скорости деформации в сплаве формируется качественно подобная ультрамелкозернистая структура со сходными спектрами границ зерен, характеризуемыми близкими значениями среднего угла разориентировки границ зерен и доли высокоугловых границ. Кинетика формирования новых зерен в исследованном диапазоне скоростей также одинакова и контролируется последовательностью атермических процессов, таких как образование значительных градиентов деформации, вызванных вращением кристаллической решетки, развитие полос микросдвига и т.д. Однако, обнаружена явная скоростная зависимость размера новых зерен, который уменьшается с ростом скорости деформации и, следовательно, определяется термически активированными процессами, связанными с динамическим возвратом. Сделан вывод о том, что измельчение зерен при ВИК сплава 1570С в исследованном температурно-скоростном интервале контролируется как атермическими, так и термическими процессами, связанными с развитием динамического возврата. Установлено, что ВИК слитка сплава 1570С при температуре 100°С (около 0,4Т_пл) приводит к раннему трещинообразованию и разрушению заготовок при достижении степеней деформации е ~ 1,5. Выполнение же ВИК с поэтапным понижением температуры в интервале 450-100 °С позволило успешно продеформировать заготовки до e=10,5 и сформировать в них, за счет непрерывной динамической рекристаллизации, однородную нанокристаллическую структуру с размером зерен и субзерен (кристаллитов) 100-150 нм. Придание сплаву такой наноструктуры увеличило его твердость в соответствии с соотношением Холла-Петча почти в полтора раза. Сделан вывод о том, что многоэтапная ВИК с понижением температуры может быть эффективным методом измельчения зерен до нанометрических размеров в труднодеформируемых и сложнолегированных алюминиевых сплавах.

Методом ВИК с понижением температуры в интервале 325-175°С получены массивные ультрамелкозернистые заготовки диаметром 80 мм и высотой 150 мм из слитка сплава 1570С. Анализ их структуры и механических свойств подтвердил вывод о том, что ВИК с понижением температуры является эффективным методом обработки сплавов типа 1570, позволяющим получать объемные заготовки с однородной ультрамелкозернистой структурой с размером зерен около 1 мкм. Материал с такой структурой демонстрировал высокие показатели и высокоскоростной, и низкотемпературной сверхпластичности с удлинениями более 2500%. Кроме того, обнаружено, что показатели сверхпластичности незначительно ухудшаются по мере выполнения ВИК, но одновременно заметно повышаются параметры статической прочности сплава при растяжении при комнатной температуре.

С помощью метода молекулярной динамики исследована динамика M × N - краудионов в двумерной треугольной решетке Морса. Краудионы возбуждаются в результате придания начальной скорости V₀ выбранному блоку атомов M × N вдоль плотноупакованного направления (N - число соседних атомов в одном плотноупакованном ряду, а M - количество соседних рядов). Для рассмотрения выбраны краудионы 2 × 1, 2 × 2 и 2 × 4. Обнаружено, что краудионы 2 × 1 и 2 × 2 демонстрируют устойчивую динамику, при этом краудионы 2 × 2 распространяются на большие расстояния и нуждаются в меньшей энергии для своего возбуждения по сравнению с краудионами 2 × 1 и классическими краудионами 1 × 1. В отличие от первых двух, краудионы 2 × 4 нестабильны и очень быстро превращаются в краудионы 2 × 2. Рассчитаны максимальные расстояния, пройденные краудионами в зависимости от начальной скорости. Показано, что краудионы 2 × 2 и 2 × 4 наиболее эффективны с точки зрения массопереноса.

Разработана новая модель атомной цепи для анализа механического отклика пучков углеродных нанотрубок (УНТ) в условиях плоской деформации. Модель учитывает жесткость стенок УНТ на растяжение и изгиб, а также взаимодействие Ван-дер-Ваальса между стенками. Благодаря дискретному характеру модели, она способна описать большую кривизну стенок УНТ и их разрушение при очень высоких давлениях, что является важным в силу того, что эти задачи трудно решить в рамках моделей механики сплошной среды. В качестве примера получены равновесные структуры кристалла УНТ при двухосном контролируемом деформацией нагружении и проанализирована их термостабильность. Полученные результаты хорошо согласуются с ранее опубликованными данными аналогичных исследований. Предлагаемая модель может быть с большой эффективностью применена для анализа механических свойств пучков УНТ, состоящих из одностенных или многостенных УНТ, в условиях плоской деформации из-за значительного уменьшения числа степеней свободы.

С использованием первопринципного моделирования исследована химическая стабильность нового двумерного материала – висмутена по отношению к молекулам окружающей среды. Висмутен обладает улучшенным взаимодействием с молекулами газов благодаря большой площади поверхности, что является характерной особенностью 2D материалов. В данной работе проведено систематическое изучение основных принципов воздействия молекул газа окружающей среды (CO, NO, NO₂, H₂ и NH₃) на электронную структуру и химическую активность висмутена. Установлено, что CO, NO и NO₂ служат акцепторами заряда. Кроме того, адсорбция NO и NO₂ может привести к заметным изменениям в зонной структуре висмутена. Особенности адсорбции атомов водорода на висмутене позволяют предположить, что этот материал является перспективным для применения в области газоанализа и производства устройств для хранения водорода.

Методом теории функционала плотности изучено влияние на стабильность структуры и электронные свойства листа борофена таких факторов, как наличие вакансионных дефектов и функционализация его поверхности атомами кислорода (О-функционализация). Примечательно, что в отличие от других двумерных материалов, металлический характер электронной структуры листа борофена не меняется под воздействием вышеперечисленных факторов. Тем не менее, показано, что О-функционализация является эффективным способом повышения структурной устойчивости листа борфена.

Исследованы возможности реализации локализованных состояний в виде дискретных бризеров в металл – гидридных системах. Установлено, что дискретные бризеры со значительной продолжительностью жизни могут быть инициированы только в никель-гидридной системе и только для атомов водорода, колеблющихся вдоль осей поляризации <100> и <111>. При этом были обнаружены два типа устойчивых бризеров с участием одного колеблющегося атома водорода и пары атомов водорода, осциллирующих в противофазном режиме. Анализ характеристик бризера показывает, что его частота находится в фононной щели или лежит в оптической фононной полосе фононного спектра вблизи верхней границы. Было продемонстрировано, что в то время как в гидриде палладия происходит диссипация собственной энергии вибрации атомов, обусловленная притягивающим взаимодействием водород-водород, устойчивые колебания в никель-гидридной системе обеспечиваются пренебрежимо слабым водородно-водородным взаимодействием, действующим на расстоянии амплитуды колебаний бризера. Таким образом, проведенный анализ дает объяснение существованию долгоживущих устойчивых бризеров в металлогидридных системах. Важно отметить, что высокоэнергетические локализованные осциллирующие состояния атомов водорода наблюдались для решеток NiH и PdH при наличии термических осцилляций, что можно интерпретировать как свидетельство существования подобных локализованных состояний при конечных температурах.

Методом молекулярной динамики проанализировано возможное влияние сегрегации атомов Ti или Ni вдоль границы зерен наклона Σ25 на прямые и обратные мартенситные превращения в сплаве NiTi. Сегрегация моделировалась путем замены одноатомного слоя Ti или Ni на границе зерен слоем Ni или Ti соответственно. Установлено, что сегрегации могут значительно снижать начальную и конечную температуры мартенситного превращения, и этот эффект более выражен для сегрегаций Ni.

Механика технологий, обеспечивающих устойчивое инновационное развитие инфраструктур и пониженной уязвимости по отношению к возможным внешним и внутренним дестабилизирующим факторам природного и техногенного характера

Исследовано влияние на механические характеристики разнородного сварного соединения, получаемого сваркой трением с перемешиванием листов алюминиевого сплава 6061 и магниевого сплава AZ31, наночастиц карбида кремния (SiC), предварительно внедряемых по свариваемой поверхности листа из магниевого сплава методом трения с перемешиванием перед самим процессом сварки. Установлено, что применение предварительной обработки позволяет получить равномерное распределение частиц SiC без их агломерации по свариваемой поверхности магниевого листа. В результате при оптимальных режимах сварки трением с перемешиванием получены более высокие механические свойства по сравнению со сварным соединением без наночастиц. Предел прочности предварительно обработанного сварного соединения повысился на 28%,, а удлинение увеличилось до 3 раз. Показано, что присутствие высокотвердых наночастиц SiC в перемешиваемой зоне ведет к измельчению микроструктуры и упрочнению армированной зоны сварки. При этом, если излом неармированного образца являлся полностью хрупким, то при армировании сварного шва характер разрушения становится вязким.

Установлена способность к низкотемпературной сверхпластической формовке (СПФ) при температуре 700°С листов экспериментального сплава Ti-1,5Al-1,5V-3,0Mo-2,75Fe-0,25Ni-0,1B (вес. %) с однородной мелкозернистой (2-3 мкм) структурой, сформированной деформационной обработкой, включающей всестороннюю изотермическую ковку и теплую прокатку. Проведенные сравнительные эксперименты по свободной формовке полусферы диаметром 70 мм при температуре 700°С показали, что время формовки из мелкозернистых листов нового титанового сплава значительно меньше, чем из листа промышленного титанового сплава ВТ6С: для экспериментального сплава время формовки составило 235 с, что в 37 раз меньше, чем для сплава ВТ6С, для которого время формовки равно 8700 с. Полученный результат позволяет повысить эффективность технологии СПФ титановых сплавов для изготовления сложнопрофильных изделий и конструкций.

Проведено сравнительное исследование сверхпластических и технологических свойств (формуемости и свариваемости в твердом состоянии) листов толщиной 1 мм двух титановых сплавов производства ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА»: сплава ВТ6 с улучшенными сверхпластическими характеристиками и нового, более дешевого, экспериментального сплава VST2k, разработанного для применения в процессах сверхпластической формовки, совмещенной с диффузионной сваркой (СПФ/ДС). Показано, что оптимальные сверхпластические свойства для сплава ВТ6 достигаются в интервале температур 700-750ºС, для сплава VST2k ‑ при температурах 750-800ºС. Установлено, что листы из обоих сплавов имеют хорошую формуемость и свариваемость в твердом состоянии в исследованном температурном диапазоне 750-900ºС. При этом хорошее качество сварных соединений наблюдается при соответствующих для каждого сплава оптимальных температурах сверхпластичности - при 750ºС для сплава ВТ6 и 800ºС для сплава VST2k. На основе проведенных исследований листы из титанового сплава VST2k рекомендованы к использованию в технологических процессах СПФ/ДС в условиях низкотемпературной сверхпластичности.

Методом конечных элементов проведено моделирование сварки трением с перемешиванием листов толщиной 3 мм из алюминиевого сплава АмГ6. Моделирование выполнялось в среде DEFORM-3D c использованием определяющего соотношения Джонсона-Кука, учитывающего влияние деформационного упрочнения материала, температуры и скорости нагружения на свойства материала. Разрушение материала задавалось с помощью критерия разрушения Кокрофта-Лэттема. Показано влияние профиля штифта, крутящего момента и силы перемещения инструмента на величину зоны деформации образца.

Проведена подготовка алюминиевых образцов после сварки трением с перемешиванием с различной длиной пина к оптической металлографии. Определена глубина положения видимых линий перемешивания при разной длине пина. Установлено, что имеется оптимальная длина пина, обеспечивающая лучшее перемешивание материала в процессе сварки.

Проведено компьютерное моделирование деформации образцов, имитирующих детали газотурбинного двигателя «диск» и «вал», в ходе сварки давлением, осуществляемой по трем схемам движения вала: внедрение вала в диск, вращение вала в диске и комбинация внедрения и вращения вала. В качестве материала для диска и вала были выбраны сплавы ЭП975 и ЭК79, соответственно. Установлено, что для создания неразъёмного соединения диска и вала предпочтительно использовать сварку давлением, осуществляемую при комбинации внедрения и вращения вала.

Проведен анализ напряженно-деформированного состояния деталей типа «диск» и «вал» при их сварке давлением, осуществляемой с приложением дополнительной сдвиговой компоненты деформации. Рассмотрены три сочетания материалов вала и диска: вал из сплава ВКНА-25 с монокристаллической структурой и диск из сплавов ЭП741НП (КЗ) с крупнозернистой структурой, ЭП741НП (УМЗ) с ультрамелкозернистой структурой и ЭП975 (МЗ) с мелкозернистой структурой. Показано, что при сварке диска из сплава ЭП741НП (УМЗ) в деталях достигается более равномерное распределение повышающих качество сварного соединения сжимающих нормальных напряжений, однако их максимальное значение меньше, чем при идентичных условиях сварки дисков из ЭП741НП (КЗ) и ЭП975 (МЗ). Для создания неразъёмного соединения диска и вала предпочтительно использовать сочетание сплавов ВКНА-25 (вал) и ЭП975 (МЗ) (диск), так как в этом случае обеспечивается эффективное суммарное воздействие нормальных сжимающих напряжений и сдвиговых деформаций.

Методом конечных элементов с помощью программного комплекса DEFORM проведено моделирование сверхпластической формовки (СПФ) полусферы диаметром 160 мм из профилированных листовых заготовок титанового сплава ВТ6 c целью определения исходного профиля заготовки, при котором отформованная полусфера имела бы минимальную разнотолщинность. Показано, что при коническо-цилиндрической форме заготовок с определенной исходной разнотолщинностью возможно получение полусферической оболочки со степенью разнотолщинности, то есть, относительным отклонением толщины локальных участков от средней, менее 2%.

Методом конечных элементов в программном комплексе ANSYS исследовано влияние угла наклона ребер жесткости на складкообразование при СПФ трехслойных гофрированных панелей из титановых сплавов. Впервые процесс образования складок при СПФ изучен с помощью феноменологической модели сверхпластичности (СП), идентификация которой была проведена по результатам технологических экспериментов. Определены режимы процесса СПФ, позволяющие изготавливать методом СПФ гофрированные конструкции без геометрических дефектов (наружных складок). Установлено, что путем дополнительной выдержки под давлением после завершения формовки при углах наклона ребер жесткости, при которых образуются складки, можно избежать складкообразования так же, как за счет увеличения толщины наружных листов (обшивки).

Проведены испытания на растяжение образцов из отечественного жаропрочного никелевого сплава ЭК61 со средним размером зерен гамма-фазы не более 0,3 мкм. Показано, что формирование в сплаве ЭК61 ультрамелкозернистой структуры указанного размера позволяет реализовать эффект сверхпластичности начиная с температуры 675°С. При температуре 675°С относительное удлинение составило 357%.

Впервые на практике из ультрамелкозернистого жаропрочного никелевого сплава ЭК61 при пониженной температуре, составляющей 850°С, методом СПФ изготовлена модельная деталь типа «полый цилиндр» диаметром 30 мм. Изготовление полой модельной детали из отечественного сплава ЭК61 стало возможным благодаря использованию в опытной технологии эффекта низкотемпературной сверхпластичности. Полученный результат открывает технологическую перспективу эффективного формообразования обработкой давлением при рекордно пониженных температурах полых деталей из труднообрабатываемых жаропрочных никелевых сплавов, предназначенных, в первую очередь, для авиационной промышленности.