Координатор: акад. Панин В. Е.

Исполнители: ИФПМ, ИГиЛ, ИТПМ, ИФП, ИХТТМ, ИНХ, ИК, ИЯФ СО РАН

Задача формулировки общих принципов мезомеханики поверхности и внутренних границ раздела может дать основу мультидисциплинарного подхода к решению актуальных задач материаловедения в ряде областей науки и техники: физике, механике, химии, электронике, машиностроении, энергетике.

Применение атомно-силовой, сканирующей, туннельной, растровой электронной микроскопии, оптико-телевизионного измерительного комплекса высокого разрешения, фрактального анализа показало, что поверхностный слой и внутренние границы раздела в нагруженных материалах являются самостоятельными мезоструктурными уровнями деформации, которые играют важнейшую функциональную роль в поведении материалов в полях внешних воздействий (механических, электрических, механохимических и др.).

Все механизмы массопереноса в твердых телах в полях внешних воздействий можно описать как суперпозицию базовых мод локальных структурных превращений на различных масштабных уровнях. Данные структурно-фазовые переходы зарождаются на концентраторах внутренних напряжений различного масштаба и развиваются в полях градиентов напряжений как автоволновой релаксационный процесс распространения потоков различного рода дефектов кристаллической решетки: точечных, дислокаций, дисклинаций, мезо- и макрополос локализованного пластического течения (см. рисунок). Поверхностные слои и внутренние границы раздела контролируют развитие процессов массопереноса в нагруженном твердом теле.

Террасно-ступенчатая структура поверхности упруго сжатого образца интерметаллида Ni63Al37 (а) и двойная спираль мезополос локализованной деформации на поверхности образца субмикрокристаллического титана при растяжении на 24 % (б); потоки дефектов и зарождение цепочек дислокаций на поверхности деформированного до разрушения образца дуралюмина (в). Figure. Terrace-stepped structure of the surface of an elastocompressed intermetallide Ni63Al37 specimen (а); double spiral of localized deformation mesobands on the surface of a submicrocrystalline titanium specimen subjected to tension, 24 % (б), defect flows and generation of dislocation chains on the surface of a duralumin specimen deformed before fracture (в).

Все виды массопереноса и связанное с ними пластическое формоизменение развиваются самосогласованно на различных масштабных уровнях и подчиняются принципу масштабной инвариантности. Нарушение такого самосогласования обусловливает деструкцию твердого тела, его фрагментацию на мезоуровне, деградацию и завершается разрушением материала или конструкции.

С использованием методов молекулярной динамики, подвижных клеточных автоматов, полевой теории дефектов, численного решения уравнений механики сплошной среды с учетом мезоскопических эффектов в определяющих соотношениях построены модели мезомеханики, описывающие зарождение и развитие на мезоуровне локализованных потоков дефектов, мезофрагментацию и разрушение как глобальную потерю сдвиговой устойчивости нагруженного материала на макромасштабном уровне. Теоретически подтверждена роль поверхностных слоев и внутренних границ раздела в зарождении и развитии локальных потоков дефектов, пластическом формоизменении и разрушении нагруженного материала.

На основе сформулированных принципов мезомеханики поверхности и внутренних границ раздела разработаны технологии создания конструкционных материалов с градиентными поверхностными и внутренними границами раздела: электронно-лучевая порошковая металлургия, газотермическое напыление с ультразвуковой обработкой, газодинамическое напыление термореагирующих порошков, экструзия дисперсно-упрочненных порошков. Механохимическая технология получения порошковых нанокомпозитов открывает возможность армировать поверхностные слои и внутренние границы в конструкционных материалах и сварных конструкциях.

Мезомеханика тонких пленок и многослойных структур для микроэлектроники и микропроцессорной техники позволяет контролировать влияние локальных напряжений на внутренних границах раздела на электронные характеристики микропроцессоров; управлять процессами деградации микропроцессорной техники, работающей при плотности тока ~10 ⁶ A/ см²; находить пути повышения ее надежности и ресурса работы.

Разработаны принципиально новые неразрушающие методы контроля состояния поверхности, диагностики предразрушения нагруженных материалов и конструкций.

1. Alkhimov A. P., Klinkov S. V., Kosarev V. F. The Features of Cold Spray Nozzle Design// Journal of Thermal Spray Technology, June. 2001. V. 10, N 2. p. 375—381.
2. Bokhonov B., Korchagin M. The formation of graphite encapsulated metal nanoparticles during mechanical activation of soot with iron and nickel// J. All. and Comp. 2002. v. 333. p. 308—320.
3. Bolesta A. V., Fomin V. M., Sharafutdinov M. R., Tolochko B. P. Investigation of interface boundary occurring during cold gas-dynamic spraying of metallic particles// Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 2001. V. 470. P. 249—252.
4. Kuznetsov P. V., Panin V. E., Schreiber J. Fractal dimension as characteristic of deformation stages of austenite stainless steel under tensile load// Theoretical and Applied Fracture Mechanics. 2001. V. 35. Р. 171—177.
5. Panin V. E. Strain-induced defects in solids at the different scale levels of plastic deformation and the nature of their sources// Mat. Sci. Ingineering. 2001. V. 319—321. Р. 197—200.
6. Бондарь М. П. Исследование соединений на контактах металлических поверхностей, созданных динамическими методами// Физическая мезомеханика. 2001. № 4. с. 67—75.

Всего по проекту опубликовано более 30 статей в рецензируемых журналах.

В оглавление

Далее