Исследование фундаментальных закономерностей формирования структур деформационного происхождения в металлах и сплавах

исполнен

• Подразделение Физико-механический институт
• Новые материалы

Описание

Исследование фундаментальных закономерностей формирования структур деформационного происхождения в металлах и сплавах на основе ГЦК, ОЦК и ГПУ кристаллических решёток при скоростях пластической деформации, превышающих 10⁵ с^-1

Применение 

Изучение природы интенсивной пластической деформации кристаллических твёрдых тел в экстремальных условиях сверхскоростного нагружения.

Актуальность

Сварка взрывом в силу ряда присущих ей особенностей является одним из наиболее эффективных, высокотехнологичных, а в ряде случаев и единственно возможным способом создания высококачественных биметаллических и многослойных композиционных материалов, нашедших многообразное применение в космической технике, в авиа- и судостроении, в энергомашиностроении, других наукоёмких отраслях современной промышленности. Широкому продвижению этой прогрессивной технологии серьёзно препятствует нерешённость одной из фундаментальных проблем физики твёрдого тела – проблемы описания природы и механизмов интенсивной пластической деформации кристаллических твёрдых тел в экстремальных условиях динамического сверхскоростного нагружения. Речь идёт о взрывном нагружении металла длительностью порядка одной микросекунды, в течение которой средняя скорость пластической деформации достигает аномально больших величин ~106 с-1. При этом в очаге пластической деформации распределение упругих напряжений оказывается крайне неоднородным, характеризуется большими градиентами, а по своей величине их значения могут приближаться к значениям теоретической прочности на сдвиг.

Научная и практическая значимость

Впервые удалось исследовать и понять процессы структурообразования металлов и сплавов, происходящие непосредственно на границе сталкивающихся в условиях взрывных нагружений металлов и сплавов. Впервые показано, что в основных своих проявлениях эти процессы подобны для металлов и сплавов с ГЦК, ОЦК и ГПУ кристаллическими решётками. Впервые показано, что в основе их лежат процессы фрагментации, диапазон проявления которой, таким образом, оказывается простирается до максимально достижимых скоростей пластической деформации.

Впервые обнаружено, что интенсивное пластическое течение в приконтактных слоях сталкивающихся материалов осуществляется вследствие формирования там неизвестных ранее особых структурных образований, названных нами пластическими струями. Впервые поняты и детально изучены природа и механизмы формирования пластических струй.

Партнеры

• ГНЦ РФ ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов «Прометей»

Используемые ресурсы и оборудование

• просвечивающий электронный микроскоп Tecnai S-Twin G2 30, оснащенный энергодисперсионным рентгеновским спектрометром EDAX и энергетическим фильтром Gatan 692GIF.3K6
• растровый двулучевой электронно-ионный микроскоп Quanta 200 3D FEG, снабженный энергодисперсионным рентгеновским спектрометром Apollo EDAX, анализатором картин EBSD Hickary EDAX и оснащенный манипулятором для in-situ приготовления образцов с помощью сфокусированного ионного пучка
• оптический микроскоп Axio Observer A1m (Carl Zeiss)
• низкоскоростной отрезной станок Struers Minitom
• димплер Fischione instruments Model 200 Dimpling grinder
• установка для электролитического утонения тонких фольг Struers TenuPol-5
• установка для ионного травления и полирования тонких фольг Fischione instruments Low angle ion milling & polishing system Model 1010
• отрезной станок ATM Brilliant 221
• шлифовально-полировальная машина ATM Saphir 350
• установка для электролитической полировки шлифов Struers LectroPol-5

Результаты

• Исследованы методами оптической, растровой и просвечивающей электронной микроскопии морфологические и кристаллогеометрические особенности структур деформационного происхождения в ОЦК металлах, а также особенности процесса их формирования в условиях сверхвысоких скоростей пластической деформации при взрывном характере нагружения (на примере изучения дефектных структур в тонких приконтактных слоях модельного, полученного сваркой взрывом соединения сталь 15К – сталь 15К).
• Исследовано методами оптической, растровой и просвечивающей электронной микроскопии морфологические и кристаллогеометрические особенности структур деформационного происхождения в ГПУ металлах, а также особенности процесса их формирования в условиях сверхвысоких скоростей пластической деформации при взрывном характере нагружения (на примере изучения дефектных структур в тонких приконтактных слоях модельного, полученного сваркой взрывом соединения ВТ1-0 (технически чистый титан) – ВТИ-4 (орторомбический алюминид титана)).
• Методами оптической, растровой и просвечивающей микроскопии изучены механизмы и условия образования вихрей и расплавов внутри пластических струй, распространяющихся вдоль поверхности контакта однородных металлов в условиях сварки взрывом.
• Исследовано распределение микротвердости с целью выявления зависимости между особенностями структур деформационного происхождения и локальными прочностными характеристиками внутри приконтактных зон сварных соединений.
• Проведено компьютерное моделирование распределения по разориентировкам границ деформационного происхождения для референтной структуры, типичной для зон, удалѐнных от поверхности контакта (ПК), и фрагментированной структуры пластических струй, расположенных в зонах, непосредственно примыкающих к ПК.