ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

Проведена адаптация термодинамических моделей неоднородных сред для их использования при изучении наноразмерных систем. Предложена аналитическая модель взаимодействия газовой фазы со стенками наноразмерных пор и вакансионных кластеров в твердых телах. Показана возможность приближенного учета межфазного взаимодействия при расчете свободной энергии системы и давления газа путем введения в уравнение состояния дополнительных слагаемых. Для приближенного расчета этих слагаемых в настоящей работе предложены простые формулы, позволяющие выполнить оценку адсорбционной поправки к свободной энергии в наноразмерных газовых пузырях аналитически. При этом взаимодействие атомов газа и стенок описывается с использованием потенциала Леннарда-Джонса. Разработанная модель использована для исследования состояния гелия, водорода и аргона в нанопорах вольфрама. Установлено, что взаимодействие со стенками дает весьма существенный вклад в свободную энергию газа, относительная доля которого сильно зависит от параметров уравнения состояния и потенциала взаимодействия молекул газа со стенками. Проведенный анализ указывает на необходимость учета “стеночных” поправок при исследовании состояния газов. Полученные результаты свидетельствуют о существенном вкладе энергии взаимодействия фаз в свободную энергию газа даже при сравнительно больших значениях радиусов пор в десятки и сотни нанометров. Влияние взаимодействия молекул газа со стенками пор на давление газа оказывается более слабым. Для всех рассмотренных случаев пренебрежение межфазным взаимодействием при расчете давления газа возможно, если радиус поры составляет не менее десяти нанометров. Полученные результаты могут быть полезны при исследовании давления газа в нанопорах твердых тел, например, в задачах плазмохимии поверхности, управляемого термоядерного синтеза, порошковой металлургии.

В настоящем исследовании продемонстрировано влияние электронно-пучковой обработкой на структуру и фазовый состав композиционного покрытия с металлической матрицей системы TiB2-Ag, нанесенное по средствам электрического взрыва. Фазовый состав и структура покрытий были исследованы при помощи методов рентгеноструктурного анализа, сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии. Фазовый состав покрытий, полученных электровзрывным методом, варьируется от образца к образцу. Воздействие электронно-пучковой обработки привело фазовый состав покрытий к единообразию. Основными фазами после модификации покрытия электронным пучком являются Ag, TiB2 и B2O. Увеличение плотности энергии и длительности импульса приводит к уменьшению содержания легкоплавкой фазы Ag и образованию медьсодержащих фаз за счет нагрева и плавления медной подложки избыточной энергией электронного пучка. Структура покрытия представлена серебряной матрицей с включениями в виде частиц TiB2. Влияние электронно-пучковой обработки на структуру покрытия носит слабовыраженный характер. Однако под действием электронного пучка микроструктура покрытия трансформировалась в ячеистую кристаллизационную структуру. Наноструктура серебряной матрицы была преобразована в нанокристаллическую структуру со средним размером кристаллов от десятков до сотен нанометров.

В работе проанализирована физическая природа гистерезиса, его связь с процессами релаксации микронапряжений и стабилизацией мартенситной фазы, а также влияние механической нагрузки на производство энтропии и диссипацию энергии. Был исследован деформационный гистерезис в циклах мартенситных превращений в сплаве Тi50Ni49,9Mo0,1 в условиях действия механических напряжений. Деформационный гистерезис свидетельствует о том, что при накоплении и возврате деформации в цикле мартенситных превращений осуществляется диссипация энергии, указывающая на протекание необратимых процессов. Несмотря на обратимый характер накопления и возврата деформации, в термодинамическом смысле эти процессы необратимы. При охлаждении и нагреве происходит рассеяние энергии, сопровождающееся производством энтропии из-за тепловых потоков на границах раздела. Важным фактором гистерезиса является производство энтропии при обратимых мартенситных превращениях. Энтропия производится как за счет необратимых процессов внутри системы, так и на поверхности раздела со средой. При циклировании мартенситных превращений наблюдается насыщение фазового наклепа, что приводит к уменьшению площади петли гистерезиса и ее стабилизации. Таким образом, после стабилизации гистерезис обусловлен только рассеянием тепла на внутренних границах и акустической эмиссией, вклад которой в рассеяние энергии мал и может быть не учтен. Снижение площади гистерезиса при циклировании мартенситных превращений может быть связано со снижением производства энтропии за счет уменьшения числа границ в цикле превращений. Это подтверждается уменьшением объема фазы, участвующей в мартенситных превращениях, что видно по высокотемпературному возврату остаточной деформации и рентгеновским исследованиям. Рост площади стабилизированной петли гистерезиса при увеличении нагрузки объясняется усилением диссипации энергии при взаимодействии мартенситных границ с накопленными дефектами фазового наклепа.

Методом молекулярной динамики исследовано влияние одномерной нелинейной колебательной моды на макроскопические свойства бездефектных ГЦК кристаллов (Al, Cu и Ni). Для описания взаимодействия между атомами использовались стандартные потенциалы на основе метода погруженного атома. В трехмерной расчетной ячейке нелинейная колебательная мода возбуждается при перемещении четных и нечетных атомов в противоположные стороны атомной цепочки вдоль плотноупакованного кристаллографического направления [1,0,-1]. Амплитуды начальных смещений атомов изменялись в пределах 0,05-0,5 Å. Амплитуды атомов экспоненциально уменьшаются с увеличением расстояния от возбужденной атомной цепочки. Полученные колебательные моды в Al, Cu и Ni имеют жесткий тип нелинейности, то есть их частота увеличиваются с увеличением амплитуды. Мода способна накапливать колебательную энергию в диапазоне от 0,9 до 3,4 эВ на один атом. Теплоёмкость или возможность сохранять энергию системы уменьшается для ГЦК металлов с увеличением амплитуды. Возбуждение одномерной нелинейной колебательной моды приводит к возникновению сжимающих напряжений, что соответствует тепловому расширению кристалла. Благодаря высокой степени пространственной локализации вдоль одного направления, рассмотренную одномерную колебательную моду можно считать линейным дискретным бризером. Расчеты, проведенные для монокристалла Ni с двумя различными расчетными ячейками, показали, что изменение размеров не влияет на характеристики линейного дискретного бризера.

В работе исследованы фазовый состав и механические свойства интерметаллического сплава системы Ni-Al-Cr, полученного с использованием двухпроволочного электронно-лучевого аддитивного производства. Заготовки сплава получали при одновременной подаче в ванну расплава промышленных проволок нихромового сплава и алюминия. Показано, что полученный материал обладает неоднородной по фазовому составу дендритной микроструктурой, состоящей преимущественно из фаз на основе Ni3Al и Ni3Cr. При этом для полученного сплава характерна слабая анизотропия предела текучести и предела прочности на растяжение в интервале температур 300-1273 К и пластичности при температурах меньше 1073 К. При температурах механических испытаний более 1073 К образцы, ориентированные вдоль подложки, характеризуются большей пластичностью, чем те, ось растяжения которых совпадает с направлением роста, что связано с особенностями фазового состава и морфологии дендритов в аддитивно произведенном материале. Показано, что наилучшее сочетание прочности и пластичности в аддитивно произведенном сплаве системы Ni-Al-Cr наблюдается в интервале температур растяжения 673-873 К. Исследуемые интерметаллические сплавы разработаны для производства интерметаллических покрытий методом электронно-лучевого аддитивного производства.

Пятикомпонентные высокоэнтропийные сплавы ВЭС типа сплава CoCrFeNiMn Кантора, обладающие хорошим сочетанием прочностных и пластических свойств и имеющие благоприятные перспективы практического использования, вот уже более четверти века активно исследуются во всем мире. В статье представлен краткий обзор публикаций в основном зарубежных исследователей по поиску направлений изменения, (улучшения) свойств этих сплавов и их практическому применению. Проанализированы теоретические и экспериментальные работы, свидетельствующие о возможности электронных структур в формировании свойств высокоэнтропийных сплавов. Изучение магнитных свойств ВЭС, может дать важную дополнительную информацию об их электронной структуре. На примере ВЭС (CoCrFeMn)1- х Ni х, содержащих пять ферромагнитных элементов, прослежена эволюция магнитной природы с изменением температуры. Обращено внимание на необходимость ускорения масштабного практического применения ВЭС. Показаны трудности и сдерживающие факторы практического использования ВЭС и пути их преодоления. В этом направлении проведен анализ публикаций в зарубежной печати о путях создания ВЭС из отходов (лома) машиностроительной и металлургической промышленности. Выполнено сравнение структурно-фазовых состояний и механических свойств ВЭС, изготовленных из чистых составляющих элементов и отходов, содержащих нержавеющую сталь, нихром, кобальтовые сплавы.

Известно, что воздействие лазерных импульсов на поверхность металла сопровождается такими процессами как локальный нагрев, плавление и даже испарение металла, что приводит к различным структурным изменениям поверхности. Очевидно, что в связи с широким применением лазера в качестве инструмента обработки материалов исследование процессов, сопутствующих его воздействию, является актуальной задачей, которую, впрочем, не всегда удается решить исключительно экспериментальным путем и в данном случае требуется применение дополнительных методов исследования. В представленной работе методом молекулярной динамики изучаются структурные изменения, происходящие в монокристалле железа, подвергнутому относительной деформации различной величины, при моделируемом воздействии лазерного импульса. Предполагается, что подобное воздействие сопровождается лишь разогревом облученного материала до достаточно высоких температур. Показано, что в результате последующей структурной релаксации в кристалле образуются дислокации, являющиеся откликом на внешнее воздействие, а по мере роста величины деформации формируются области разориентации. При этом для разориентации в данном случае не требуются большие деформации, а необходимо наличие жидкой фазы, а также избыточный свободный объем. Высказывается предположение, что возникновению областей разориентации также способствуют касательные напряжения, создаваемые межфазной границей.