Важнейшие результаты, полученные в 2017 г.

Сведения о результатах фундаментальных научных исследований в 2017 году по направлениям исследований в рамках Программы фундаментальных научных исследований Российской академии наук

Номер и наименование направления фундаментальных исследований

Полученные результаты

II. ФИЗИЧЕСКИЕ НАУКИ

8. Актуальные проблемы физики конденсированных сред, в том числе квантовой макрофизики, мезоскопики, физики наноструктур, спинтроники, сверхпроводимости

Проведены исследования ионного распыления крупнозернистого и наноструктурного никеля в условиях тлеющего газового разряда. Для ионного распыления образцов с различной структурой использована газоразрядная колба с двумя катодами, роль которых выполняли исследуемые образцы. Использование в одной колбе одновременно двух катодов с различной структурой позволило создать одинаковые условия эксперимента для разных образцов и сопоставить полученные на них результаты. В результате ионного распыления образцов образуется ступенька распыленного металла вблизи круга распыления, высота которого позволяет определить скорость распыления. Исследования лазерной сканирующей и атомно-силовой микроскопией показали, что высота ступеньки распыленного металла на наноструктурном образце выше, чем на крупнозернистом. Следовательно, скорость ионного распыления наноструктурного никеля выше, чем скорость ионного распыления крупнозернистого никеля. Эффект может быть использован при разработке вакуумных электронных приборов с повышенными функциональными свойствами.

Обнаружено явление захвата отдельных зерен и групп зерен мелкозернистой матрицы аномально крупными зернами при вторичной рекристаллизации в сверхпроводящей керамике Y123. Разориентировки большинства захваченных зерен с аномальными зернами близки к специальным с обратной плотностью совпадающих узлов Σ=3, 9, 11, 17, 23, 25, 29, 31, 33, 35, 37, 41, 43е, 45, 47. Наиболее часто встречаются разориентировки - Σ=3 и 43е. Периметр захваченной группы из четырех зерен содержит только специальные границы с Σ=3 и 11.

Исследовано влияние режима деформации кручением под давлением (температура, угол кручения) на величину поля необратимости Hirr при температуре 78 К керамики Bi(Pb)2223. Установлено, что наиболее высокое значение Hirr=1490 Э достигается после деформации при 875°С на угол кручения 25°.

9. Физическое материаловедение: новые материалы и структуры, в том числе фуллерены, нанотрубки, графены, другие наноматериалы, а также метаматериалы

Исследовано формирование кристаллографической текстуры в сплаве Гейслера системы Ni-Mn-Ga при пластической деформации методом всесторонней изотермической ковки. На последнем этапе ковки проводилась так называемая вытяжка (ковка в направлении только двух осей заготовки) при температуре 680°С с целью формирования острой кристаллографической текстуры. Проведен анализ кривых термического расширения сплава в интервале температур мартенситного превращения в исходном литом и кованом состояниях. В литом состоянии сплава в области мартенситного превращения наблюдается незначительная анизотропия термического расширения, связанная с наличием в сплаве кристаллографической текстуры роста кристаллов. Ковка приводит к исчезновению кристаллографической текстуры роста и формированию текстуры деформации. При этом происходит усиление эффекта скачкообразного изменения геометрических размеров образца при фазовом превращении. Это способствует повышению функциональных характеристик материала, т.е. величины ферромагнитного эффекта памяти формы в сплавах Гейслера.

Обоснован выбор мартенситно-стареющей стали ЭП-836 с комплексом легирующих элементов для обеспечения высоких прочностных и магнитных характеристик. Показано, что эффективным методом воздействия на структуру этой стали является деформационно-термическая обработка, которая позволяет одновременно повысить и прочностные свойства (на 10%), и магнитные характеристики (в 1,5 раза). Выбранный сплав предполагается использовать для изготовления приводных дисков газовых центрифуг для разделения изотопов урана.

Исследовано влияние интенсивной пластической деформации методом кручения под высоким гидростатическим давлением на структуру и магнитные свойства гафния. Обнаружено, что в результате деформации, приводящей к измельчению размера зерен до 5-50 нм, гафний претерпевает фазовый переход из парамагнитного в ферромагнитное состояние. Как показали первопринципные расчеты, растяжение ГПУ решетки гафния вдоль пирамидального направления [101] на 15-30 % приводит к фазовому превращению в моноклинную решетку с появлением магнитного момента. На основании полученных экспериментальных данных и результатов компьютерного моделирования можно сделать вывод о том, что новая моноклинная фаза гафния формируется как следствие упругой дисторсии кристаллической решетки, необходимой для аккомодации большой пластической деформации. Полученный результат расширяет представления о влиянии интенсивной пластической деформации на структуру и свойства металлов.

Изучен механизм передачи энергии одномерному кристаллу (цепочке) при локальном воздействии, имеющем частоты в пределах фононного спектра кристалла и вне него. Детально рассмотрены частоты внутри спектра вблизи его границ. Для линейного случая получено точное выражение для мощности источника энергии в виде одного атома, совершающего вынужденное колебание по гармоническому закону. Показано, что при учете нелинейности локального потенциала дискретные бризеры способны значительно ускорить передачу энергии от источника к цепочке. 

Проведено молекулярно-динамическое моделирование влияния моно-вакансии и двух типов бивакансии на теплопроводность и механические свойства фосфореновых нанолент под действием растягивающих усилий. Результаты моделирования показывают, что как теплопроводность, так и механическая прочность сильно анизотропны и в значительной степени снижаются из-за наличия дефектов. При этом влияние дефектов проявляет анизотропию: вдоль направления кресла бивакансия одного типа приводит к меньшему снижению тепловых и механических свойств, чем бивакансия другого типа, в то время как для направления зигзаг получается противоположный результат. Изучено влияние деформации и температуры на теплопроводность фосфореновых нанолент. По мере увеличения температуры теплопроводность уменьшается, особенно вдоль направления кресла. Температурная зависимость теплопроводности ослабляется при наличии дефектов. При растяжении, независимо от наличия дефектов, теплопроводность вдоль направления кресла монотонно возрастает с деформацией, а вдоль зигзагообразного направления наблюдается немонотонная зависимость. В целом, полученные результаты дают важную информацию о тепловых и механических свойствах фосфорена и имеют значение для дизайна будущих электронных устройств на основе фосфорена.

При изучении динамики решетки двумерного и трехмерного кристаллов Морзе проведено обобщение концепции сверхзвукового краудиона до сверхзвукового N-краудиона, в котором одновременно с большой скоростью движутся не один, а 

N атомов. В проведенных расчетах показано, что N-краудионы (N>1) более эффективно осуществляют массоперенос в кристалле по сравнению с классическим 1-краудионом. Иными словами, для инициации массопереноса N-краудиону (N>1) нужна меньшая энергия, и он производит массоперенос на большие расстояния, чем 1-краудион.

Проведены первопринципные расчеты химической стабильности фосфорена с вакансиями. Изучено взаимодействие молекул H2O и O2 с идеальным фосфореном и с фосфореном, содержащим различные вакансии. В отличие от общепринятого представления, согласно которому молекулы имеют тенденцию к более сильной адсорбции вблизи вакансий, показано, что молекула воды характеризуется такой же энергией адсорбции вблизи вакансии, как и на идеальном участке. Как показал анализ переноса заряда, молекула кислорода является сильным поглотителем электронов, перенося электроны одиночной пары атомов фосфора на 2π* антисвязывающую орбиталь O2. В результате этого, барьер для разрыва O-O связи и образования O-P связи снижается с 0,81 эВ на идеальном участке до 0,59 эВ вблизи дефекта, что приводит к увеличению скорости окисления вблизи дефекта при комнатной температуре примерно в 5000 раз по сравнению с идеальным участком. Следовательно, вакансия в фосфоре имеет более сильное сродство к кислороду, чем узел идеальной решетки фосфорена, и структурная деградация фосфорена из-за окисления может быстро возникать на краях и границах зерен, где вакансии склонны к агломерации.

Проведено первопринципное моделирование продольных нелинейных колебаний атомов в равномерно растянутых углеродных цепочках со структурой кумулена (=C=C=)n. Установлено смягчение колебательной моды с волновым вектором на границе зоны Бриллюэна (π-моды). Конденсация этой мягкой моды индуцирует фазовый переход Пайерлса, связанный с удвоением элементарной ячейки. Помимо π-моды, в моноатомных цепях с произвольными межчастичными взаимодействиями могут существовать две другие нелинейные нормальные моды, соответствующие утроенной или учетверенной трансляционной ячейке. Наличие таких мягких мод позволяет предположить, что могут существовать два новых типа углеродных цепочек (помимо кумулена и полиина) с чередованием длин связей, отличным от чередования в полиинах. Поскольку фазовые переходы в растянутом кумулене могут существенно изменить его электронные свойства, эти явления могут быть использованы для построения различных наноэлектронных устройств.

Проведены первопринципные расчеты зависимости частоты от амплитуды для всех пяти одномерных бушей колебательных мод, существующих в графене. Показано значительное, нередко качественное, расхождение результатов с результатами молекулярно-динамического моделирования с использованием потенциалов Савина, Бреннера и AIREBO, причем последние также качественно различаются в зависимости от использованного потенциала. Это показывает необходимость уточнения существующих межатомных потенциалов для моделирования sp2-углеродных структур, что может быть сделано путем подгонки к результатам первопринципного моделирования одномерных бушей мод. 

Моделированием из первых принципов изучена электронная структура плоской гетероструктуры графен/силицен. Установлено, что гетероструктура обладает металлической проводимостью в диапазоне деформаций от -7% (сжатие) до + 7% (растяжение). Изучено влияние деформации сжатия/растяжения на химическую активность гетероструктуры. Показано, что сжимающая/растягивающая деформация способна изменять энергию связи молекулы H2O, а перенос заряда между молекулой воды и листом графена/силицена может быть модулирован деформацией. Присутствие подложки нитрида бора значительно влияет на химическую активность гетероструктуры графен/силицен при ее взаимодействии с молекулой H2O. Эти результаты дают представление о модуляции электронных свойств гетероструктуры графен/силицен на подложке и показывают пути контроля ее электронной структуры, плотности носителей и окислительно-восстановительных характеристик, которые могут быть полезны для приложений в наноэлектронике и при разработке газовых сенсоров. 

С использованием модели цепи, движущейся в плоскости, разработанной для моделирования свойств вторичных sp2-углеродных структур, проведено моделирование структуры и свойств обмоток углеродных нанотрубок (УНТ) графеновыми нанолентами. 

С помощью этой модели найдены равновесные структуры и сопоставлены их энергии. Показано, что относительно короткие графеновые наноленты обертывают УНТ без полости, создавая плотную структуру. Для нанолент с большей длиной всегда появляется полость между УНТ и нанолентой. Исследовано влияние температуры на структуру комплекса УНТ-нанолента. Обнаружено, что плотные комплексы при повышенных температурах претерпевают фазовый переход в состояние с полостью, который характеризуется резким увеличением внешнего радиуса обмотанной вокруг УНТ наноленты. Этот фазовый переход открывает путь к разработке материалов с аномально большим коэффициентом теплового расширения в определенном температурном диапазоне, а также к созданию датчиков температуры с большой чувствительностью.

Методом молекулярной динамики с использованием межатомных потенциалов Савина, AIREBO и Бреннера изучена динамика пяти одномерных и двенадцати двумерных бушей мод в графене. Для всех одномерных бушей построена зависимость частоты от амплитуды. Для двумерных бушей, для различных амплитуд основного колебания, найдено соотношение амплитуд двух компонент, при которых они синхронизируются, и колебания осуществляются на удвоенной частоте. Известно, что буши мод, при не слишком малых амплитудах, проявляют модуляционную неустойчивость. Найдены критические экспоненты одномерных бушей мод в зависимости от амплитуды, что позволило определить критические значения амплитуд, приводящих к модуляционной неустойчивости. В интервале амплитуд устойчивых колебаний критические экспоненты отрицательны, а для достаточно больших амплитуд критические экспоненты становятся положительными, что означает неустойчивую динамику бушей.

Методом молекулярной динамики исследованы структурная устойчивость и механические свойства нанотрубки из меди. Взаимодействие атомов описывалось хорошо апробированным многочастичным потенциалом, входящим в библиотеку программного пакета LAMMPS. Найдены равновесный внутренний радиус и толщина стенки нанотрубки, при которых ее структура устойчива. Как показывает исследование, максимально возможная толщина стенки нанотрубки линейно связана с минимально возможным внутренним радиусом. При этом минимально возможный внутренний радиус, при котором нанотрубка будет устойчивой, соответствует случаю, когда межатомное расстояние во внутреннем слое не более чем в два раза меньше равновесного значения для объемного металла. Исследовано напряженно-деформированное состояние нанотрубки под действием растягивающих напряжений, приложенных вдоль оси нанотрубки. Показано, что метод молекулярной динамики позволяет в деталях изучать влияние внешних воздействий на свойства подобных нанобъектов. Предложенная в работе модель может применяться для изучения нанотрубок из других металлов с ГЦК структурой при условии подбора соответствующего межатомного потенциала взаимодействия.

Методом молекулярной динамики изучены пространственно-локализованные колебания большой амплитуды (дискретные бризеры) в графене, нитриде бора, алмазе. Для недеформированного графена получены новые типы дискретных бризеров с колебаниями в направлении, перпендикулярном плоскости листа. Для однородно деформированного нитрида бора впервые получены щелевые дискретные бризеры с колебаниями атомов в плоскости листа на частотах в щели фононного спектра, которая индуцируется однородной деформацией. Показано, что близко расположенные дискретные бризеры в алмазе могут обмениваться энергией между собой. Для всех исследованных материалов получены зависимости частоты от амплитуды и степень пространственной локализации дискретных бризеров. 

Методом молекулярной динамики проведены исследования различных сценариев передачи энергии по растянутому кристаллу графена в интервале частот от 0 до 45 ТГц с очень малыми амплитудами воздействия. При воздействии на частотах в пределах фононного спектра энергия вдоль кристалла переносится соответствующими фононами. Когда частота внешнего возбуждения находится в щели фононного спектра, также возможна передача энергии по кристаллу. В этом случае вблизи источника энергии имеет место возбуждение дискретных бризеров с модулированной амплитудой. В свою очередь, эти бризеры инициируют появление фононов, частота которых соответствует частоте модуляции амплитуды бризеров. Распространение энергии по кристаллу осуществляется посредством этих фононов. Важно, что этот механизм может быть реализован для предельно малых амплитуд внешних периодических возмущений.

Раскрыта роль дискретных бризеров в теплопроводности нелинейной цепочки. Показано, что при малых значениях параметра нелинейности цепочка демонстрирует известную аномалию – ее коэффициент теплопроводности растет с увеличением длины цепочки по степенному закону, то есть, стремится к бесконечности для бесконечно длинных цепочек. С ростом степени нелинейности цепочки происходит переход к теплопроводности, подчиняющейся закону Фурье, согласно которому коэффициент теплопроводности не зависит от длины цепочки и является характеристикой материала, из которого она сделана. Раскрыт механизм, связанный с такой сменой закона теплопроводности, при увеличении параметра нелинейности цепочки. Он состоит в том, что с ростом степени нелинейности цепочки в ней растет концентрация дискретных бризеров, возбуждаемых спонтанно тепловыми флуктуациями. Дискретные бризеры эффективно рассеивают бегущие фононы, которые являются носителями тепла, и снижают теплопроводность.

Показано, что сильно локализованное внешнее воздействие (придание начальной скорости одному атому вдоль плотноупакованного направления кристалла Морзе) может породить дозвуковой бризерный краудион, то есть краудион, несущий колебательную моду большой амплитуды, локализованную на нем. В работе предложен анзац с небольшим числом параметров, имеющих простой физический смысл, позволяющий задавать начальные условия для запуска дозвуковых бризерных краудионов. 

В результате моделирования процесса модуляционной неустойчивости делокализованных нелинейных мод в гексагональной решетке с жестким типом нелинейности установлено, что если частота делокализованной моды при больших амплитудах находится выше фононного спектра, то в результате развития модуляционной неустойчивости в системе происходит локализация энергии на дискретных бризерах. Время жизни дискретных бризеров увеличивается с уменьшением начальной амплитуды делокализованной моды. 

Для цепочек phi4 и phi6 показано, что при столкновении N кинков и антикинков в одной точке максимально достижимая плотность энергии растет с числом кинков квадратично, в то время как полная энергия системы растет с числом кинков линейно. Если N четно, то в момент достижения максимальной плотности энергии она оказывается в форме кинетической энергии, в то время как для нечетных N - в форме потенциальной энергии. Полученные результаты важны, поскольку из них следует, что при многосолитонных столкновениях плотность энергии и деформация решетки могут достигать очень больших значений, приводя к качественным изменениям системы, например, к разрыву цепочки, к инициированию фазовых переходов или генерации дефектов.

Описано два механизма передачи энергии от потока частиц атомам сплава. Если частицы потока имеют энергию, достаточно высокую для возбуждения дискретного бризера при однократном взаимодействии, то в системе возбуждаются дискретные бризеры при любой плотности потока частиц. Если же частицы имеют малую энергию, то дискретный бризер может возбудиться только в результате взаимодействия атома с несколькими частицами через небольшие промежутки времени, в течение которых его амплитуда колебаний, вызванная предшествующими взаимодействиями, не угасает. В этом случае плотность потока должна быть достаточно высокой, чтобы вызывать возбуждение дискретных бризеров. 

Показана возможность существования и описаны свойства дискретных бризеров вблизи атомно-гладкой поверхности монокристалла Pt3Al, локализованных на легких атомах алюминия. Оказалось, что дискретные бризеры вблизи поверхности могут иметь различную поляризацию. Бризеры, колеблющиеся по нормали к поверхности, могут иметь частоты, заметно отличающиеся от частот бризеров в объеме кристалла. Если же бризер поляризован вдоль поверхности, то его частоты близки к частотам бризеров в объеме кристалла. Полученные результаты важны для физики поверхности, поскольку они показывают возможность локализации энергии на атомах вблизи поверхности. 

 

III. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

19. Фундаментальные проблемы современной электротехники, импульсной и возобновляемой энергетики

Установлено, что в керамике Bi(Pb)2223 низкое содержание вторичных фаз и минимальный размер зерен фазы Bi(Pb)2223, важные для сверхпроводящих свойств, формируются после спекания при Т=855°С. Однако при такой обработке не достигается кислородный индекс, обеспечивающий максимальную температуру сверхпроводящего перехода (Тс=105-110 К). Разработаны режимы термической обработки, включающей в себя двухступенчатый отжиг при Т=855 и 835°С, сохраняющие мелкозернистую микроструктуру и обеспечивающие высокое значение Тс, близкое к максимальной.

23. Механика деформирования и разрушения материалов, сред, изделий, конструкций, сооружений и триботехнических систем при механических нагрузках, воздействии физических полей и химически активных сред

Проведен анализ микроструктуры, спектра границ зерен, микротвердости и механических свойств образца феррит - аустенитной стали EOS Stainless Steel PH1, полученного методом селективного лазерного сплавления. Исходный порошок феррита имел размер гранул 20 мкм при среднем размере областей когерентного рассеяния (ОКР) 200 нм. Установлено, что такая технология позволяет получить монолитный образец без заметной пористости, имеющий двухфазную структуру, что подтверждается данными рентгеноструктурного анализа и дифракции обратно рассеянных электронов. Основной фазой является феррит (мартенсит), доля аустенита не превышает 10%. Размер ОКР практически не отличается от размера ОКР в исходном порошке. Микроструктура характеризуются высокой степенью однородности по химическому и фазовому составу, средний размер зерен составляет 0,5 мкм, границы зерен имеют преимущественно большеугловые разориентировки. Микротвердость на краю образца несколько выше, чем в центре, что может быть связано с различными условиями остывания на краю и в центре в процессе лазерного сплавления, а также особенностями маршрута лазерного луча в процессе сплавления. Полученные аддитивной технологией изделия из этой стали, обладающей хорошей коррозионной стойкостью, перспективны для использования в медицинской, аэрокосмической и других отраслях, требующих высокую твердость, прочность материалов.

Разработаны методики интегрального и локального лазерного сканирования деформационного рельефа поверхности образцов с протяженными неоднородными зонами. Показаны возможности использования размерных и безразмерных параметров шероховатости для сравнительного количественного анализа степени неоднородности морфологии рельефа на разных масштабных уровнях. Исследованы параметры деформационного рельефа поверхности полусфер из титанового сплава, полученных при сверхпластической формовке в вакууме для разных структурных состояний (мелкозернистого с размером зерен порядка 1 мкм и ультрамелкозернистого с размером зерен порядка 0,1 мкм). Качественный и количественный сравнительный анализ позволил выявить степень влияния внутреннего фактора на развитие деформационного рельефа поверхности. Показано, что при переходе от мелкозернистого к ультрамелкозернистому состоянию снижается резкость рельефа, формирующегося при сверхпластической формовке, но повышаются размерные параметры деформационного рельефа поверхности.

Исследована усталостная прочность титанового сплава ВТ6 с бимодальным типом ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры, в которой основная структурная составляющая (около 80% объема) состоит из равноосных зерен a и b фаз размером 0,7-0,9 мкм, а вторая составляющая (около 20% объема) - из глобулярных первичных зерен a- фазы размером от 3 до 30 мкм. Установлено, что сплав с бимодальной УМЗ структурой имеет циклическую выносливость s-1 = 720 МПа, значительно превышающую предел выносливости сплава ВТ6 с однородной УМЗ структурой с размером зерен 0,7 мкм, равный s-1 = 624 МПа.

Исследована горячая деформация жаропрочной бронзы БрХ08 и установлены термомеханические режимы деформационной обработки методом всесторонней изотермической ковки для получения полуфабриката с однородной мелкозернистой структурой. Показано, что деформация бронзы БрХ08 в интервале температур 800-900°С и скоростей деформации 10-4-10-3 с-1 сопровождается развитием динамической рекристаллизации, приводящей к измельчению структуры материала. Так, размер зерен матрицы на основе меди, составляющий в исходном прессованном прутке около 100 мкм, в результате деформационной обработки уменьшается более чем в 5 раз и составляет в кованом полуфабрикате 15-20 мкм. При этом важной особенностью структуры мелкозернистого полуфабриката является ее однородность в объеме заготовки как по размерам равноосных зерен матричной фазы, так и по распределению в микроструктуре частиц второй фазы на основе хрома.

Проведены исследования и оптимизированы температурно-скоростные интервалы горячей деформации бериллиевой бронзы БрБ2 для формирования в материале динамически рекристаллизованной микроструктуры. Разработаны режимы обработки с использованием метода всесторонней изотермической ковки для получения в крупногабаритном полуфабрикате в виде диска равномерной по всему сечению макро и микроструктуры.

Разработаны режимы термической обработки сплава Ti-22Al-20Nb-1Mo-2V-0,25Si на основе орторомбической фазы Ti2Al Nb, включающей отжиг в однофазной b-области с последующей закалкой в воду и длительный отжиг в (О+b/В2)-фазовой области, в результате которой в интерметаллидном сплаве формируется тонкопластинчатая (О+b/В2)-структура. Предполагается, что такая структура обеспечит оптимальный баланс высокотемпературных свойств и низкотемпературной пластичности.

Исследованы фазовые превращения, протекающие в новом сплаве Ti-45Al-5Fe-5Nb (ат. %) при повышенных температурах. Сплав состоит в основном из двух фаз - γ(TiAl) и τ2(Ti2AlNb), кроме того, содержит незначительное количество α2(Ti3Al) и β(B2) фаз. Испытания на растяжение обнаружили близкую к нулевой пластичность и хрупкое разрушение сплава. Причиной хрупкого поведения сплава является фаза τ2(Ti2AlNb), которая препятствует распространению деформации и способствует возникновению и распространению хрупких трещин. Результат показывает, что использование вместо упрочняющей фазы α2(Ti3Al) другой интерметаллидной τ2(Ti2AlNb) фазы не приводит к улучшению пластичности гамма-сплавов. 

Коротковолокнистые композиционные материалы на основе Ti/TiB с матрицей из сплавов ВТ18У и ВТ25У, изготовленные in situ с помощью литья, показали повышенные (на 20-50%) значения прочности в широком интервале температур и сопротивления ползучести при температурах 550-650°С в сочетании с приемлемой пластичностью (не менее δ=3-5% при комнатной температуре). Показано, что это обусловлено высокой адгезионной прочностью границ матрица/TiB-волокно, сохраняющейся при повышенных температурах. Разработанные композиционные материалы потенциально могут применяться при температурах эксплуатации до 650°С.

Исследования сверхпрочного титанового сплава экспериментального состава Ti-20Zr-6.5Al-3.3Mo-0.3Si-0.1B (ВТ8-20Zr-0.1B, вес. %) показали, что высокая прочность достигается за счет повышения эффективности термического упрочнения благодаря необычному для титанового сплава с относительно невысоким коэффициентом β-стабилизации мартенситному превращению β®α¢¢ с сохранением остаточной β-фазы при закалке из β-области и образованию тонкодисперсной пластинчатой структуры с нанометрической толщиной пластин при последующем старении. При этом сплав обладает и сравнимым с ВТ8 сопротивлением ползучести при температурах 400-500°С. Разработанный сплав продемонстрировал рекордную среди всех известных титановых сплавов удельную прочность при 500°С и может быть использован в качестве конструкционного материала с рабочей температурой до 450-500°С. 

Для высоколегированного никелевого сплава экспериментального состава Ni-50(Co,Cr,W,Ta,Ti,Al,Mo,Nb,Re)-0,1(C,LaY,Ce,B) (вес. %) разработаны режимы деформационно-термической обработки, позволившие сформировать в нем структуру типа «ожерелье», в которой выделены мелкодисперсные карбиды и бимодально распределенные по размеру частицы γ¢-фазы. Это обеспечило рекордные прочностные свойства (σВ0,2=1705/1250 МПа) сплава при сохранении высокой жаропрочности. Длительная прочность при 650°С и напряжении 1000 МПа составила более 300 часов. Новый сплав может быть использован для изготовления дисков газотурбинных двигателей.

На примере гранульного никелевого сплава ЭП741НП разработан оригинальный способ и режимы деформационно-термической обработки применительно к заготовке детали типа «диск», обеспечившие формирование градиентной в радиальном направлении микроструктуры и градиентные механические свойства. Оригинальность способа заключается в использовании повторной деформационной обработки при пониженной температуре для получения частично рекристаллизованной структуры в области обода. В результате обработки в заготовке типа «диск» была достигнута частично рекристаллизованная структура типа «ожерелье» в области обода и микродуплексная структура в области ступицы, что обеспечило наиболее сбалансированные механические свойства: повышенную жаропрочность, ударную вязкость в области обода и повышенную прочность и пластичность в области ступицы. Разработанный способ и режимы обработки могут быть использованы при изготовлении деталей типа «диск» из жаропрочных никелевых сплавов для газотурбинных двигателей.

Проведены исследования сверхпластических свойств гранульного сплава ЭП741НП в исходном компактированном состоянии и в состоянии с микродуплексной УМЗ структурой. Сплав, имеющий микродуплексную структуру, демонстрирует сверхпластические свойства, в то время как в исходном компактированном состоянии сплава эти свойства отсутствуют. После деформационно-термической обработки наилучшие сверхпластические свойства (удлинение до разрушения δ=630%) наблюдаются при температуре Т = 1100°C и скорости деформации έ = 10-3 с-1. Результат показывает, что для получения сверхпластических свойств гранульного жаропрочного сплава его необходимо подвергать деформационно-термической обработке. Этот результат важно учитывать при разработке технологий изготовления деталей газотурбинных двигателей из этого сплава. 

Проведен обзор работ, посвященных высокоскоростной сверхпластичности Al-Mg сплавов, содержащих дисперсоиды алюминидов скандия и циркония и имеющих ультрамелкозернистую структуру, полученную с использованием методов интенсивной пластической деформации. Обсужден потенциал этих методов для улучшения показателей сверхпластичности. Рассмотрены условия, при которых достигаются уникальные сверхпластические свойства или происходит их деградация, в зависимости от способов и режимов деформационной обработки. Оценена эффективность обработки, сочетающей интенсивную и обычную деформацию, для получения ультрамелкозернистых листов с высокими характеристиками высокоскоростной сверхпластичности. Показано, что эффективность обработки и обрабатываемость Al-Mg-Sc(Zr) сплавов с целью получения ультрамелкозернистой структуры, особенно с содержанием Mg выше 3%, в значительной мере зависят от способа, метода и режимов деформации. Рациональным представляется использование всесторонней изотермической ковки, в том числе, с понижением температуры деформации, обеспечивающей формирование равновесной УМЗ и мелкозернистой структуры с долей большеугловых границ не менее 70%. Для разработки эффективного способа получения из данных сплавов сверхпластичных листов с высокими характеристиками высокоскоростной сверхпластичности требуются дальнейшие исследования, направленные на контроль и оптимизацию их структурно-фазового состояния на всех этапах обработки, начиная со слитка, а также оптимизацию этапов и режимов последующей термомеханической обработки.

Методами релаксационной динамики и молекулярной динамики рассчитаны равновесные структуры и константы упругости трехмерных алмазоподобных структур, построенных на основе полимеризованных фуллеренов, углеродных нанотрубок или графена. Показано, что целый ряд из исследованных структур являются частичными ауксетиками, то есть имеют отрицательный коэффициент при определенном выборе оси растяжения и направления измерения поперечной деформации. . Полученные результаты подтверждают возможность создания новых алмазоподобных фаз с аномальными упругими свойствами, интересными для приложений.

В рамках теории течения с изотропным упрочнением получено решение задачи об определении напряженного состояния для растяжения (сжатия) с кручением сплошного цилиндра из материала, чувствительного к скорости и степени деформации в условиях пропорционального нагружения. Из условия равновесия получены формулы для расчета интенсивности напряжений для материальной частицы, расположенной на поверхности образца заданного радиуса, в зависимости от осевого усилия и крутящего момента. Проведена оценка неоднородности напряженно-деформированного состояния при кручении и растяжении с кручением в условиях сверхпластичности. Показано, что основной вклад в сопротивление пластической деформации сплошного образца вносят его периферийные слои, где диапазон изменения скорости деформации достаточно узок и внутри которого с достаточной степенью точности коэффициент скоростного упрочнения можно считать постоянным. Предлагаемая методика была использована при определении интенсивности напряжений в экспериментах по растяжению с одновременным кручением сплошных образцов из титановых сплавов ВТ6 и ВТ9 при температурах 875, 900, 925 и 950°С.

Для титанового сплава ВТ6 по результатам экспериментов на релаксацию после сверхпластической деформации при различных видах испытаний: одноосных (растяжение и кручение) и двухосном (растяжение с одновременным кручением) определены значения пороговых напряжений для температуры 900 °С.

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

Экспериментально показана возможность достижения высококачественного твердофазного соединения листов промышленного титанового сплава ВТ6 при пониженной температуре, составляющей Т=700°С, благодаря использованию при сварке давлением эффекта низкотемпературной сверхпластичности промежуточного листа из ультрамелкозернистого титанового сплава ВТ14. Полученный результат обладает высокой практической ценностью и может использоваться при разработке ресурсосберегающих технологий изготовления полых конструкций повышенной жесткости из титановых сплавов с использованием эффекта низкотемпературной сверхпластичности, в частности, полых лопаток авиадвигателя.

Экспериментально показана возможность повышения термической обработкой прочности твердофазного соединения, полученного сваркой давлением микрокристаллического жаропрочного сплава ЭП975 и монокристаллического сплава ВКНА-25, до уровня монокристаллического сплава. При механических испытаниях растяжением при комнатной температуре термообработанный сварной образец разрушился вне зоны соединения по объему монокристаллического сплава ВКНА-25. Фрактография зоны разрушения выявила ямочный характер излома, типичный для вязкого типа разрушения. Полученный результат может быть использован при разработке ресурсосберегающей технологии изготовления изделий типа «блиск» для авиационных двигателей.

Металлографическими исследованиями установлено отсутствие оксидной пленки в зоне твердофазного соединения при диффузионной сварке мелкозернистых листов сплава ВТ6 в вакууме при температуре 700°С и выше. Выявлена пороговая температура полного растворения оксидной пленки в зоне соединения, составляющая около 700°С. Эта температура определяет нижний температурный предел осуществимости диффузионной сварки исследованного мелкозернистого сплава ВТ6, обеспечивающий достижение качественного неразъемного соединения. Полученный результат может быть использован при разработке ресурсосберегающих технологий твердофазной сварки титановых сплавов при пониженных температурах.

28. Система много-критериального связного анализа, обеспечения и повышения прочности, ресурса, живучести, надежности и безопасности машин, машинных и человеко-машинных комплексов в междисциплинарных проблемах машиноведения и машиностроения, научные основы конструкционного материаловедения 

Проведено моделирование методом конечных элементов и экспериментальное исследование процесса сварки давлением жаропрочных никелевых сплавов в сочетаниях «ЭП975 - ВКНА-25», «ЭП741НП - ХН58МБЮД». Выполнены эксперименты по сварке давлением и термической обработке образцов из сплавов ЭК79 и ЭП975 по схеме одноосного сжатия в условиях сверхпластичности никелевого сплава ЭП975 с УМЗ структурой. Исследованы микроструктура и свойства твердофазного соединения заготовок из сплава ЭП741НП через УМЗ прослойку. Показано, что сварка давлением через прослойку является эффективным методом получения качественных твердофазных соединений образцов из сплава ЭП741НП с крупнозернистой структурой. Полученные результаты исследований актуальны с практической точки зрения, поскольку важнейшей задачей при проектировании перспективного газотурбинного двигателя является увеличение доли неразъемных сварных соединений.

Методом конечных элементов проведен анализ силовых и деформационных характеристик алюминия и меди при интенсивной пластической деформации путем непрерывной ковки в закрытых бойках. Обоснован выбор материала и определена оптимальная геометрия инструмента для данного метода пластической деформации. На основе полученных данных проведено физическое моделирование процесса ковки, которое подтвердило правильность результатов расчетов. Созданный инструмент использован для получения УМЗ структуры в образцах алюминия и меди. Исследования подтвердили наличие УМЗ структуры и повышенных значений микротвердости. 

29. Триботехника и износостойкостьвысоконагруженныхэлементов машин

Построена конечно–элементная модель крупногабаритного подшипника скольжения со вкладышем из баббита Б83, позволяющая моделировать разрушение при экстренном режиме (отсутствие смазочного слоя, остановка, пуск). Компьютерное моделирование прогнозирует высокую стойкость при аварийной работе крупногабаритного подшипника скольжения со вкладышем из баббита Б83 со структурой с мелкими, раздробленными частицами интерметаллидных фаз, равномерно распределенными в матричной фазе, так как при этом обеспечивается на порядок меньший скалярный параметр поврежденности по сравнению с крупнозернистым баббитом.

При исследовании методом молекулярной динамики механизмов трения и износа sp3-sp2-алмазоподобной углеродной (АПУ) пленки за счет взаимодействия со скользящим алмазным наконечником обнаружено, что увеличение нагрузки на последний может увеличить износ АПУ пленки путем смены механизма износа от адгезивного к абразивному. Расчетная сила трения подчиняется зависимости, полученной в модели Боудена-Табора, при относительно небольших нагрузках, но отклоняется от нее при больших нагрузках из-за образования переходных слоев. Повышение скорости скольжения может уменьшить силу трения и скорость изнашивания АПУ пленки за счет уменьшения глубины внедрения алмазного наконечника и количества связей на контактной границе. Когда шероховатость поверхности АПУ пленки увеличивается, ее абразивный износ сильно повышается, что приводит к увеличению силы трения. При этом износ сначала уменьшается, а затем увеличивается. Такая зависимость от шероховатости поверхности связана с конкуренцией между адгезионным и абразивным износом.

V. ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ И НАУКИ О МАТЕРИАЛАХ

45. Научные основы создания новых материалов с заданными свойствами и функциями, в том числе высокочистых и наноматериалов

Проанализировано влияние основных b-стабилизаторов замещения на строение и удельную энергию межфазных b/a границ в сплавах титана. Обогащение b-фазы титана легирующими элементами, происходящее при понижении температуры в интервале b®a превращения, сопровождается увеличением плотности дефектов (дислокаций несоответствия и структурных ступенек), которые компенсируют несоответствия межатомных расстояний на межфазных границах. Вмести с тем, даже при максимально возможном содержании b-стабилизаторов в сплавах титана сохраняется полукогерентное дислокационное строение межфазных границ. Для межфазных b/a границ, образованных разными сочетаниями плоскостей сопряжения, наблюдаемыми экспериментально, получены зависимости удельной энергии от содержания b-стабилизатора в b-фазе титана. Из анализа полученных зависимостей следует, что добавление в титан b-стабилизаторов замещения может приводить к изменению формы образующихся при диффузионном b®a превращении a-частиц с пластинчатой на стержневую (игольчатую). Это подтверждается структурными исследованиями высоколегированных b-титановых сплавов. Показано, что анизотропия удельной энергии межфазных b/a границ остается высокой при любом содержании b-стабилизатора в сплаве. Это фактически исключает возможность выделения равноосных a-частиц при диффузионном b®a превращении. Полученные результаты важны для моделирования структурных изменений при различных видах деформационной обработки и анализа кинетики фазовых превращений в титановых сплавах.

Исследовано влияние редкоземельного элемента Dy, обладающего высоким сродством к кислороду, на структуру и механические свойства TNM-сплава состава Ti-45Al-5Nb-1Mo-0.2B (ат. %). Разработаны условия термической обработки, позволившие частично глобуляризовать микроструктуру слитка сплава Ti-45Al-5Nb-1Mo-0.2B-0.1Dy (ат. %). Показано, что добавление диспрозия способствует измельчению литой структуры и обеспечивает повышение пластичности и прочности на сжатие при комнатной температуре по сравнению со сплавом, не содержащим диспрозия. 

Проведены исследования микроструктуры труднодеформируемого высоколегированного никелевого сплава экспериментального состава Ni-48.5(Co,Cr,W,Ta,Al,Hf)-3,5(C,Sr,Zr,Ce) (вес. %), в литом состоянии и подвергнутом деформационной обработке в квазиизотермических условиях. В исходном состоянии литая структура содержит крупные дендриты (500-1000 мкм). Упрочняющая g¢-фаза со средним размером 200-300 нм равномерно выделена в g-матрице. Деформационная обработка такого сплава приводит к формированию частично рекристаллизованной структуры со средним размером зерен g-фазы 50 мкм.

Проведены исследования микроструктуры образца сплава Inconel 718, полученного селективным лазерным сплавлением. Показано, что структура сплава состоит из дендритов со средним размером 10-15 мкм. В свою очередь, дендриты содержат субзерна со средним размером 0,5 мкм, по границам которых выделены дисперсные карбиды и пластины d-фазы. Дисперсные частицы g¢¢-фазы равномерно выделены в субзернах. Новизна работы заключается в применении селективного лазерного плавления и исследовании нового по способу приготовления материала.

Методами просвечивающей и растровой электронной микроскопии исследовано влияние обработки, включающей всестороннюю изотермическую ковку с поэтапным снижением температуры в интервале 400-200°С и последующую прокатку, на распределение и размер вторых фаз в прутке сплава MA14 (Mg-6Zn-0,6Zr). Установлено, что ковка при 400 и 300°С с суммарной степенью деформации е=10 практически устраняет строчечность грубых частиц избыточных фаз, свойственную прессованному полуфабрикату, и заметно уменьшает размер частиц при сохранении их объемной доли на уровне 3-4%. Снижение температуры ковки до 200°С (ниже сольвуса основной упрочняющей β-фазы (MgZn2)), активизирует распад пересыщенного цинком магниевого твердого раствора с формированием около 2% выделений. Измельчение избыточных фаз и распад твердого раствора с выделением еще около 8% продуктов продолжается при последующей прокатке при этой температуре. Указанные процессы приводят при этом к анизотропному характеру распределения наиболее крупных фаз в виде вторичной строчечности с преимущественной вытянутостью строк вдоль направления прокатки. Кроме того, формируется сильная анизотропия плотности и размеров пластинчатых выделений β-фазы, а также межчастичного расстояния, определенные по измерениям в долевом и поперечном сечениях листовой заготовки. Сделан вывод о том, что последний фактор является основной причиной возникновения анизотропии предела текучести при растяжении при комнатной температуре ультрамелкозернистых листов сплава, полученных при использовании описанной выше комплексной обработки. Обсуждена природа эволюции вторых фаз, а также причины возникновения анизотропии их распределения в процессе деформирования сплава.