Исследование структуры и свойств металлов и сплавов в далеких от равновесия условиях

Во введении описаны виды экстремальных воздействий на современные конструкционные и функциональные материалы и их основные фундаментальные отличия, о важности дизайна материалов для выдержки экстремальной нагрузки. Перечислены основные задачи, решаемые во рамках проводимых работ. В первой главе отчета представлено конечно- элементное моделирование усталостного поведения медицинского зубного имплантата, изготовленного из титана в крупнозернистом и наноструктурном состояниях. Оценено влияние локализации нагрузки и схемы компоновки на результаты усталостных испытаний зубного имплантата. Максимальная концентрация напряжений локализуется у шейки имплантата, при этом надёжное функционирование имплантата выбранного для исследования дизайна обеспечивается только при использовании нанасируктурного титана. Во второй главе представлены результаты моделирования методом конечных элементное в программе Deform 3D были проведены исследования влияния температурных и скоростных характеристик процесса РКУП и процесса редукции на формирование прочностных свойств цинкового сплава, многообещающего кандидата для производства медицинских имплантатов. В соответствии с выбранными температурными режимами и скоростью деформации образцы были про деформированы и исследованы. Выявлена зависимость механических свойств цинкового сплава Zn–4Ag–Cu от температурно-скоростных условий обработки методами РКУП и редукции. Режим РКУП позволил уменьшить микроструктуру и повысить предел прочности до 348 МПа при этом увеличив и пластичность до 30 %. Приведены первые исследования коррозионных свойств цинкового сплава. В третьей главе исследовано влияние различных методов обработки на стабильность структуры и усталостные свойства ферритно-мартенситной стали. В качестве методов деформации были выбрана холодная прокатка. Приведены исследования механических и усталостных свойств, а также микроструктуры. В стали ЭИ-961Ш комбинация прокатки и дополнительной термообработкой позволила увеличить предел ограниченной выносливости более чем на 70 %, по сравнению со стандартной обработкой. При этом более мелкие частицы вторых фаз и равномерное их распределение по границам и в теле зерна в результате комбинированной обработки тормозили развитие трещины, повышая предел выносливости. Дополнительным упрочняющим фактором явилось формирование структуры, содержащей двойниковые границы. В четвертой главе приведены исследования криогенных механических свойств сталей с высоким содержанием Mn после равноканального углового прессования. Высокомарганцевая сталь, подвергнутая многократному РКУП, обладает большим потенциалом для применения в криогенных условиях благодаря своей высокой прочности и предельной пластичности. Пятая глава представляет собой исследования микроструктуры сварного шва и околошовной зоны стыковых сварных соединений жаропрочного сплава ЭП718 толщиной 5 мм роботизированной сваркой. Применение роботизированной сварки жаропрочных никелевых сплавов типа ЭП718 позволяет снизить тепловложения в сварочный процесс. Снижение тепловложений позволяет реализовать нестандартные схемы сварки, уменьшить толщину свариваемых изделий и увеличить скорость сварки. В шестой главе приведен статический анализ микроструктуры сплавов с ограниченной растворимостью на примере алюминиевого сплава Al-4.5(La,Ce) после интенсивной пластической деформации, а также зависимость микроструктуры на механические свойства и электропроводность. ИПДК приводит к значительному увеличению межфазной поверхности в алюминиевых сплавах с отсутствием растворимости легирующих элементов в твердом состоянии. В седьмой главе исследуется взаимосвязь микроструктурных параметров, полученных разными способами литья, подвергнутых деформационной обработке, в том числе интенсивной пластической деформации кручением (ИПДК) с физико-механическими и электрическими свойствами сплавов системы Al-Fe с содержанием железа 1.7 мас.%. Способ литья сильно влияет на тип и морфологию интерметаллидных частиц в сплавах системы Al-Fe. Литье в ЭМК позволяет получить более термически устойчивый сплав, нежели классическое литье в охлаждаемую изложницу. В восьмой главе приведен анализ особенностей трансформации структуры и свойств объемных металлических стекол в процессе больших деформаций. При ИПДК ОМС Vit105 высокая степень деформации кручением не реализуется в связи с проскальзыванием бойков по поверхности образца, но при этом структура аморфного сплава значительно трансформируется, оставаясь аморфной. Девятая глава посвящена исследованию влияния нанесения нитридных и карбидных покрытий вакуумно-дуговым методом на твердый сплав ВК8 и нержавеющей стали. Технологические режимы нанесения покрытия очень сильно влияют на механические свойства и фазовый состав получаемых покрытий. В десятой главе представлены результаты численного моделирования методом молекулярной динамики деформационно-индуцированного растворения Zr в решетке Al. Были рассмотрены случаи продольного и поперечного расположения сегрегаций. Установлено, что в продольном положении растворение сегрегации Zr в структуре Al происходит интенсивнее, чем в поперечном. Показано, что чем ниже скорость деформирования, тем больше растворения Zr в решетке Al, и присутствие вакансии в решетке способствуют большему растворению сегрегации. В одиннадцатой главе в ОЦК кристалле вольфрама изучалась динамика нескольких делокализованных нелинейных колебательных мод– точных решений уравнений движения атомов, геометрия которых определяется симметрией решетки при любых амплитудах и не зависит от типа взаимодействия между узлами. Исследование проводилось с использованием нескольких межатомных потенциалов. Обнаружено, что несколько межатомных потенциалов показывают практически совпадающие результаты, что является косвенным подтверждением их справедливости и возможности их использования для моделирования экстремальных воздействий на рассматриваемую решетку. В двенадцатой главе представлены результаты моделирования деформационно-индуцированного растворения сегрегаций Zr в решетке Al. Проведен анализ симметрии исследуемой динамической системы и нахождении режимов колебаний, обусловленных симметрией, существующей при любых амплитудах колебаний и независимо от типа взаимодействия между элементами системы. Все четыре ДНКМ характеризуются жестким ангармонизмом. Модуляционная неустойчивость четырех ДНКМ приводит к формированию хаотических ДБ с частотами выше верхней границы фононного спектра кристалла. В тринадцатой главе исследовано влияние сегрегаций на механические свойства эквиатомного высокоэнтропийного сплава NiCoFeCuCr на примере би-кристалла с помощью метода молекулярной динамики. Основной вклад в развитие структуры при деформации составляет образование и миграция двойников, а также миграция границ зерен вблизи трещины. Изучено влияние размера пор на величину сдвигающего напряжение. Присутствие пор приводит к повышению напряжения течения, причем, данный эффект становится более заметным с ростом диаметра пор. В четырнадцатой главе представлены результаты моделирования дислокационного электропластического эффекта в монокристалле методом молекулярной динамики. Создана модель двумерного монокристалла с межатомными взаимодействиями, описываемыми потенциалом Морзе. Проведено моделирование движения дислокаций при заданных сдвиговых деформациях и температурах. Предложена модель применения импульсов электрического тока к системе. В разделе «Выводы» представлены обобщающие заключения и общие направления дальнейших исследований.